ES2769249T3 - Organic photovoltaic cells using an ultrathin sensitization layer - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo fotosensible que comprende: un primer electrodo y un segundo electrodo; una serie de capas fotoactivas orgánicas dispuestas entre el primer electrodo y el segundo electrodo, estando cada capa de la serie en contacto directo con la siguiente capa de la serie, estando la serie de capas fotoactivas orgánicas dispuestas para formar al menos una heterounión donante-receptor, comprendiendo la serie: una primera capa fotoactiva orgánica (152) que comprende un primer material anfitrión que sirve como donante; una segunda capa fotoactiva orgánica (980) que comprende un segundo material anfitrión dispuesto entre la primera capa fotoactiva orgánica (152) y una tercera capa fotoactiva orgánica (154); y comprendiendo la tercera capa fotoactiva orgánica (154) un tercer material anfitrión que sirve como aceptor; en el que el primer material anfitrión, el segundo material anfitrión y el tercer material anfitrión son diferentes, en el que la segunda capa fotoactiva orgánica sirve como aceptor relativo a la primera capa fotoactiva orgánica o como donante relativo a la tercera capa fotoactiva, y una distancia desde cualquier punto dentro del segundo material anfitrión de la segunda capa fotoactiva orgánica hasta un límite de esa capa no es más que una longitud de difusión de excitón en la mayor parte de la zona de la segunda capa fotoactiva orgánica, y caracterizado por que la segunda capa fotoactiva orgánica (980) es una capa unitaria que tiene unas aberturas (1001) a través de la misma, estando la primera capa fotoactiva orgánica (152) en contacto directo con la tercera capa fotoactiva orgánica (154) a través de dichas aberturas.A photosensitive device comprising: a first electrode and a second electrode; a series of organic photoactive layers arranged between the first electrode and the second electrode, each layer of the series being in direct contact with the next layer in the series, the series of organic photoactive layers being arranged to form at least one donor-receptor heterojunction , the series comprising: a first organic photoactive layer (152) comprising a first host material serving as a donor; a second organic photoactive layer (980) comprising a second host material disposed between the first organic photoactive layer (152) and a third organic photoactive layer (154); and the third organic photoactive layer (154) comprising a third host material serving as an acceptor; in which the first host material, the second host material and the third host material are different, in which the second organic photoactive layer serves as an acceptor relative to the first organic photoactive layer or as a relative donor to the third photoactive layer, and a The distance from any point within the second organic photoactive layer host material to a boundary of that layer is nothing more than an exciton diffusion length over most of the area of the second organic photoactive layer, and characterized in that the second organic photoactive layer (980) is a unitary layer having openings (1001) through it, the first organic photoactive layer (152) being in direct contact with the third organic photoactive layer (154) through said openings .

Description

DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Células fotovoltaicas orgánicas que utilizan una capa de sensibilización ultradelgadaOrganic photovoltaic cells using an ultrathin sensitization layer

Campo de la invenciónField of the Invention

La presente invención se refiere en general a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos. Más específicamente, está dirigida a dispositivos optoelectrónicos fotosensibles orgánicos que incluyen una capa activa de baja movilidad ultra delgada que responde al infrarrojo cercano.The present invention relates generally to organic photosensitive optoelectronic devices. More specifically, it is targeted at organic photosensitive optoelectronic devices that include an ultra-thin, low-mobility active layer that responds to near-infrared.

AntecedentesBackground

Los dispositivos optoelectrónicos se basan en las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales para producir o detectar radiaciones electromagnéticas electrónicamente o para generar electricidad a partir de la radiación electromagnética ambiental.Optoelectronic devices rely on the optical and electronic properties of materials to produce or detect electromagnetic radiation electronically or to generate electricity from ambient electromagnetic radiation.

Los dispositivos optoelectrónicos fotosensibles convierten la radiación electromagnética en una señal eléctrica o electricidad. Las células solares, también llamadas dispositivos fotovoltaicos ("PV"), son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usa específicamente para generar energía eléctrica. Las células fotoconductoras son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usa junto con un circuito de detección de señal que monitoriza la resistencia del dispositivo para detectar cambios debidos a la luz absorbida. Los fotodetectores, que pueden recibir una tensión de polarización aplicada, son un tipo de dispositivo optoelectrónico fotosensible que se usan junto con los circuitos de detección de corriente que miden la corriente generada cuando el fotodetector está expuesto a radiación electromagnética.Photosensitive optoelectronic devices convert electromagnetic radiation into an electrical signal or electricity. Solar cells, also called photovoltaic ("PV") devices, are a type of photosensitive optoelectronic device that is used specifically to generate electrical energy. Photoconductor cells are a type of photosensitive optoelectronic device that is used in conjunction with a signal detection circuit that monitors the resistance of the device to detect changes due to absorbed light. Photodetectors, which can receive an applied bias voltage, are a type of photosensitive optoelectronic device that are used in conjunction with current detection circuits that measure the current generated when the photodetector is exposed to electromagnetic radiation.

Estas tres clases de dispositivos optoelectrónicos fotosensibles pueden distinguirse de acuerdo con si existe una unión rectificadora como se define a continuación y también de acuerdo con si el dispositivo opera con una tensión exterior aplicada, también conocida como tensión de polarización o polarización. Una célula fotoconductora no tiene una unión rectificadora y normalmente opera con una polarización. Un dispositivo de PV tiene al menos una unión rectificadora y opera sin polarización. Un fotodetector tiene al menos una unión rectificadora y en general se opera, pero no siempre, con una polarización.These three classes of photosensitive optoelectronic devices can be distinguished according to whether there is a rectifying junction as defined below and also according to whether the device operates with an applied external voltage, also known as bias or bias voltage. A photoconductor cell does not have a rectifier junction and normally operates with a polarization. A PV device has at least one rectifying joint and operates without polarization. A photodetector has at least one rectifying junction and is generally, but not always, polarized operated.

Como se usa en el presente documento, el término "rectificar" indica, entre otros, que una interfaz tiene una característica de conducción asimétrica, es decir, la interfaz soporta el transporte electrónico de carga preferentemente en una dirección. El término "semiconductor" indica materiales que pueden conducir electricidad cuando los portadores de carga se inducen por excitación térmica o electromagnética. El término "fotoconductor" en general se refiere al proceso en el que la energía radiante electromagnética se absorbe y por lo tanto se convierte en energía de excitación de los portadores de carga eléctrica de tal manera que los portadores puedan conducir (es decir, transporten) carga eléctrica en un material. El término "material fotoconductor" se refiere a materiales semiconductores que se usan por su propiedad de absorber radiación electromagnética para generar portadores de carga eléctrica. Como se usa en el presente documento, "superior" significa más alejado del sustrato, mientras que "inferior" significa más cercano al sustrato. Puede haber capas intermedias, a menos que se especifique que la primera capa está "en contacto físico" con la segunda capa.As used herein, the term "rectify" indicates, inter alia, that an interface has an asymmetric conduction characteristic, that is, the interface supports electronic load transport preferably in one direction. The term "semiconductor" indicates materials that can conduct electricity when charge carriers are induced by electromagnetic or thermal excitation. The term "photoconductor" generally refers to the process in which electromagnetic radiant energy is absorbed and thereby converted into excitation energy by carriers of electrical charge such that carriers can conduct (ie, transport) electric charge on a material. The term "photoconductive material" refers to semiconductor materials that are used for their property of absorbing electromagnetic radiation to generate carriers of electrical charge. As used herein, "upper" means further from the substrate, while "lower" means closer to the substrate. There may be intermediate layers, unless the first layer is specified to be "in physical contact" with the second layer.

Cuando la radiación electromagnética de una energía apropiada incide sobre un material semiconductor orgánico, puede absorberse un fotón para producir un estado molecular excitado. En los materiales fotoconductores orgánicos, en general se cree que el estado molecular generado es un "excitón" es decir, un par de huecos de electrones en un estado unido que se transportan como una cuasi partícula. Un excitón puede tener un tiempo de vida apreciable antes de la recombinación geminada ("enfriamiento"), que se refiere al electrón original y al hueco que se recombinan entre sí (en oposición a la recombinación con huecos o electrones de otros pares). Para producir una fotocorriente, los huecos de electrones que forman el excitón en general se separan en una unión rectificadora.When electromagnetic radiation of appropriate energy strikes an organic semiconductor material, a photon can be absorbed to produce an excited molecular state. In organic photoconductive materials, the generated molecular state is generally believed to be an "exciton," that is, a pair of electron holes in a bonded state that are transported as a quasi-particle. An exciton can have an appreciable lifetime before geminated recombination ("cooling"), which refers to the original electron and the hole that recombine with each other (as opposed to recombination with holes or electrons from other pairs). To produce a photocurrent, the electron holes that form the exciton are generally separated at a rectifying junction.

En el caso de los dispositivos fotosensibles, la unión rectificadora se denomina heterounión fotovoltaica. Los tipos de heterouniones fotovoltaicas orgánicas incluyen una heterounión donante-aceptor formada en una interfaz de un material donante y un material aceptor, y una heterounión barrera de Schottky formada en la interfaz de un material fotoconductor y un metal.In the case of photosensitive devices, the rectifying junction is called the photovoltaic hetero junction. Types of organic photovoltaic heterojunctions include a donor-acceptor heterojunction formed at an interface of a donor material and an acceptor material, and a Schottky barrier heterojunction formed at the interface of a photoconductive material and a metal.

La figura 1 es un diagrama de nivel de energía que ilustra un ejemplo de una heterounión donante-receptor. En el contexto de los materiales orgánicos, los términos "donante" y "aceptor" se refieren a las posiciones relativas de los niveles de energía del orbital molecular más alto ocupado ("HOMO") y del orbital molecular más bajo no ocupado ("LUMO") de dos materiales orgánicos en contacto pero diferentes. Si el nivel de energía LUMO de un material en contacto con otro es bajo, entonces ese material es un aceptor. De lo contrario, es un donante. Es energéticamente favorable, en ausencia de una polarización exterior, que los electrones en una unión donante-aceptor se muevan hacia el material aceptor.Figure 1 is an energy level diagram illustrating an example of a donor-receptor heterojunction. In the context of organic materials, the terms "donor" and "acceptor" refer to the relative positions of the energy levels of the highest occupied molecular orbital ("HOMO") and the lowest unoccupied molecular orbital ("LUMO"). ") of two organic materials in contact but different. If the LUMO energy level of one material in contact with another is low, then that material is an acceptor. Otherwise, it is a donor. It is energetically favorable, in the absence of an external polarization, that the electrons in a donor-acceptor junction move towards the acceptor material.

Como se usa en el presente documento, un primer nivel de energía HOMO o LUMO es "mayor que" o "más alto que" un segundo nivel de energía HOMO o LUMO si el primer nivel de energía está más cerca del nivel de energía de vacío 10. Un nivel de energía HOMO más alto corresponde a un potencial de ionización ("IP") que tiene una energía absoluta más pequeña en relación con un nivel de vacío. Del mismo modo, un nivel de energía LUMO más alto corresponde a una afinidad electrónica ("EA") que tiene una energía absoluta más pequeña en relación con el nivel de vacío. En un diagrama de nivel de energía convencional, con el nivel de vacío en la parte superior, el nivel de energía LUMO de un material es más alto que el nivel de energía HOMO del mismo material.As used herein, a first HOMO or LUMO energy level is "greater than" or "higher than" a second HOMO or LUMO energy level if the first energy level is closer to the vacuum energy level 10. A higher HOMO energy level corresponds to an ionization potential ("IP") that has a smaller absolute energy relative to a vacuum level. Similarly, a higher LUMO energy level corresponds to an electronic affinity ("EA") that has a smaller absolute energy relative to the vacuum level. In a conventional energy level diagram, with the vacuum level at the top, the LUMO energy level of a material is higher than the HOMO energy level of the same material.

Después de la absorción de un fotón 6 en el donante 152 o el aceptor 154 se crea un excitón 8, el excitón 8 se disocia en la interfaz rectificadora. El donante 152 transporta el hueco (círculo abierto) y el aceptor 154 transporta el electrón (círculo oscuro).After absorption of a photon 6 in donor 152 or acceptor 154, an exciton 8 is created, exciton 8 dissociates at the rectifying interface. Donor 152 transports the gap (open circle) and acceptor 154 transports the electron (dark circle).

Una propiedad importante en los semiconductores orgánicos es la movilidad de operador. La movilidad mide la facilidad con que un portador de carga puede moverse a través de un material conductor en respuesta a un campo eléctrico. En el contexto de los dispositivos fotosensibles orgánicos, un material que conduce preferentemente por electrones debido a una alta movilidad de electrones puede denominarse como un material de transporte de electrones. Un material que conduce preferentemente por huecos debido a una alta movilidad de huecos puede denominarse como un material de transporte de huecos. Una capa que conduce preferentemente por electrones, debido a la movilidad y/o la posición en el dispositivo, puede denominarse como una capa de transporte de electrones ("ETL"). Una capa que conduce preferentemente por huecos, debido a la movilidad y/o la posición en el dispositivo, puede denominarse como una capa de transporte de huecos ("HTL"). Preferentemente, pero no necesariamente, un material aceptor es un material de transporte de electrones y un material donante es un material de transporte de huecos.An important property in organic semiconductors is operator mobility. Mobility measures the ease with which a charge carrier can move through a conductive material in response to an electric field. In the context of organic photosensitive devices, a material that is preferably electron-conducting due to high electron mobility can be referred to as an electron transport material. A material that conducts preferably through voids due to high mobility of voids can be referred to as a void transport material. A layer that is electrically conductive, due to mobility and / or position in the device, may be referred to as an electron transport layer ("ETL"). A layer that preferably conducts through gaps, due to mobility and / or position in the device, may be referred to as a gap transport layer ("HTL"). Preferably, but not necessarily, an acceptor material is an electron transport material and a donor material is a gap transport material.

Se conoce bien en la técnica cómo emparejar dos materiales fotoconductores orgánicos para que sirvan como donante y aceptor en una heterounión fotovoltaica basada en la movilidad de portador y en los niveles relativos de HOMO y LUMO, y no se aborda en este caso.It is well known in the art how to pair two organic photoconductive materials to serve as a donor and acceptor in a photovoltaic heterojunction based on carrier mobility and relative levels of HOMO and LUMO, and is not addressed in this case.

Una característica común de los semiconductores en bruto, así como los aislantes, es una "brecha de banda". La brecha de banda es la diferencia de energía entre el nivel de energía más alto lleno de electrones y el nivel de energía más bajo que está vacío. En un aislante inorgánico o semiconductor inorgánico, esta diferencia de energía es la diferencia entre el borde de banda de valencia (parte superior de la banda de valencia) y el borde de la banda de conducción (parte inferior de la banda de conducción). En un semiconductor orgánico o aislante orgánico, esta diferencia de energía es la diferencia entre el HOMO y el LUMO. La brecha de banda de un material puro carece de estados de energía donde puedan existir electrones y huecos. Los únicos portadores disponibles para la conducción son los electrones y los huecos que tienen suficiente energía para excitarse a través de la brecha de banda. En general, los semiconductores tienen una brecha de banda relativamente pequeña en comparación con los aislantes.A common feature of raw semiconductors, as well as insulators, is a "band gap". The band gap is the energy difference between the highest energy level filled with electrons and the lowest energy level that is empty. In an inorganic insulator or inorganic semiconductor, this energy difference is the difference between the edge of the valence band (top of the valence band) and the edge of the conduction band (bottom of the conduction band). In an organic semiconductor or organic insulator, this energy difference is the difference between HOMO and LUMO. The band gap of a pure material lacks energy states where electrons and holes can exist. The only carriers available for conduction are the electrons and holes that have enough energy to get excited through the band gap. In general, semiconductors have a relatively small band gap compared to insulators.

En términos de un modelo de banda de energía para semiconductores orgánicos, solo los electrones en el lado LUMO de la brecha de banda son portadores de carga, y solo los huecos en el lado HOMO de la brecha de banda son portadores de carga.In terms of an energy band model for organic semiconductors, only the electrons on the LUMO side of the band gap are charge carriers, and only the holes on the HOMO side of the band gap are charge carriers.

Como se usa en el presente documento, el término "orgánico" incluye materiales poliméricos, así como materiales orgánicos de molécula pequeña que pueden usarse para fabricar dispositivos optoelectrónicos orgánicos. "Molécula pequeña" se refiere a cualquier material orgánico que no sea un polímero, y las "moléculas pequeñas" en realidad pueden ser bastante grandes. Las moléculas pequeñas pueden incluir unidades repetidas en algunas circunstancias. Por ejemplo, el uso de un grupo alquilo de cadena larga como sustituyente no elimina una molécula de la clase "molécula pequeña". Las moléculas pequeñas también pueden incorporarse en polímeros, por ejemplo, como un grupo pendiente en un segmento principal de polímero o como parte del segmento principal. Las moléculas pequeñas también pueden servir como la fracción del núcleo de un dendrímero, que consiste en una serie de capas químicas construidas sobre el resto del núcleo. La fracción del núcleo de un dendrímero puede ser un emisor de molécula pequeña fluorescente o fosforescente. Un dendrímero puede ser una "molécula pequeña". En general, una molécula pequeña tiene una fórmula química definida con un peso molecular que es el mismo de molécula a molécula, mientras que un polímero tiene una fórmula química definida con un peso molecular que puede variar de molécula a molécula. Como se usa en el presente documento, "orgánico" incluye complejos metálicos de hidrocarbilo y ligandos de hidrocarbilo sustituidos con heteroátomos.As used herein, the term "organic" includes polymeric materials as well as small molecule organic materials that can be used to make organic optoelectronic devices. "Small molecule" refers to any organic material other than a polymer, and "small molecules" can actually be quite large. Small molecules can include repeating units in some circumstances. For example, the use of a long chain alkyl group as a substituent does not remove a molecule of the "small molecule" class. Small molecules can also be incorporated into polymers, for example, as a pendant group in a main polymer segment or as part of the main segment. Small molecules can also serve as the core fraction of a dendrimer, which consists of a series of chemical layers built on top of the rest of the nucleus. The core fraction of a dendrimer can be a fluorescent or phosphorescent small molecule emitter. A dendrimer can be a "small molecule". In general, a small molecule has a defined chemical formula with a molecular weight that is the same from molecule to molecule, while a polymer has a defined chemical formula with a molecular weight that can vary from molecule to molecule. As used herein, "organic" includes hydrocarbyl metal complexes and hetero atom-substituted hydrocarbyl ligands.

Para obtener una explicación de antecedentes adicional y una descripción del estado de la técnica de los dispositivos fotosensibles orgánicos, incluida su construcción general, características, materiales y funciones, se citan la patente de Estados Unidos N.° 6.657.378 de Forrest et al., la patente de Estados Unidos N.° 6.580.027 de Forrest et al., y la patente de Estados Unidos N.° 6.352.777 de Bulovic et al.For a further background explanation and a description of the state of the art of organic photosensitive devices, including their general construction, characteristics, materials and functions, the United States Patent No. 6,657,378 to Forrest et al. , US Patent No. 6,580,027 to Forrest et al., and US Patent No. 6,352,777 to Bulovic et al.

Sumario de la invenciónSummary of the invention

La invención se refiere a un dispositivo fotosensible de acuerdo con la reivindicación 1.The invention relates to a photosensitive device according to claim 1.

Un dispositivo fotosensible comprende una serie de capas fotoactivas orgánicas dispuestas entre un primer electrodo y un segundo electrodo. Cada capa de la serie está en contacto directo con la siguiente capa de la serie. La serie de capas fotoactivas orgánicas está dispuesta para formar al menos una heterounión donante-aceptor. La serie de capas fotoactivas orgánicas incluye una primera capa fotoactiva orgánica que comprende un primer material anfitrión que sirve como donante, una segunda capa fotoactiva orgánica que comprende un segundo material anfitrión dispuesto entre la primera capa fotoactiva orgánica y una tercera capa fotoactiva orgánica, y la tercera capa fotoactiva orgánica que comprende un tercer material anfitrión que sirve como aceptor. El primer material anfitrión, el segundo material anfitrión y el tercer material anfitrión son diferentes. La segunda capa fotoactiva orgánica sirve como aceptor en relación con la primera capa fotoactiva orgánica o como donante en relación con la tercera capa fotoactiva. Una distancia desde cualquier punto dentro del segundo material anfitrión de la segunda capa fotoactiva orgánica hasta un límite de esa capa no es más que una longitud de difusión de excitón en la mayor parte de la zona de la segunda capa fotoactiva orgánica. Preferentemente, la distancia desde cualquier punto dentro del segundo material anfitrión de la segunda capa fotoactiva orgánica hasta un límite de esa capa no es más que una longitud de difusión de excitón sobre la totalidad de la zona de la segunda capa fotoactiva orgánica.A photosensitive device comprises a series of organic photoactive layers arranged between a first electrode and a second electrode. Each layer in the series is in direct contact with the next layer in the series. The series of organic photoactive layers is arranged to form at least one donor-acceptor heterojunction. The series of organic photoactive layers includes a first organic photoactive layer comprising a first host material serving as a donor, a second organic photoactive layer comprising a second host material disposed between the first organic photoactive layer and a third organic photoactive layer, and the organic third photoactive layer comprising a third host material that serves as an acceptor. The first host material, the second host material, and the third host material are different. The second organic photoactive layer serves as an acceptor relative to the first organic photoactive layer or as a donor relative to the third photoactive layer. A distance from any point within the second host material of the second organic photoactive layer to a boundary of that layer is no more than an exciton diffusion length over most of the area of the second organic photoactive layer. Preferably, the distance from any point within the second host material of the second organic photoactive layer to a boundary of that layer is no more than an exciton diffusion length over the entire area of the second organic photoactive layer.

La segunda capa fotoactiva orgánica es una capa unitaria que tiene aberturas a través de la misma, estando la primera capa fotoactiva orgánica en contacto directo con la tercera capa fotoactiva orgánica a través de dichas aberturas. The second organic photoactive layer is a unitary layer having openings therethrough, the first organic photoactive layer being in direct contact with the third organic photoactive layer through said openings.

El segundo material anfitrión es preferentemente una molécula pequeña. El primer material anfitrión y dicho tercer material anfitrión también son preferentemente moléculas pequeñas. El segundo material anfitrión de molécula pequeña tiene preferentemente un coeficiente de absorción de al menos 5 x 104 cm-1 a través de una banda de longitud de onda de 600 nm a 900 nm.The second host material is preferably a small molecule. The first host material and said third host material are also preferably small molecules. The second small molecule host material preferably has an absorption coefficient of at least 5 x 104 cm-1 across a wavelength band of 600nm to 900nm.

Cada una de la primera capa fotoactiva orgánica, la segunda capa fotoactiva orgánica y la tercera capa fotoactiva orgánica pueden tener espectros de absorción diferentes.Each of the first organic photoactive layer, the second organic photoactive layer, and the third organic photoactive layer may have different absorption spectra.

La segunda capa fotoactiva orgánica puede servir como donante, teniendo el primer material anfitrión y el segundo material anfitrión espectros de absorción diferentes. Sirviendo como donante, e1HOMO del segundo material anfitrión está preferentemente no más de 0,16 eV por encima de un HOMO del primer material anfitrión, y la brecha de banda del segundo material anfitrión es preferentemente menor que una brecha de banda del primer material anfitrión. Si sirve como donante, el segundo material de anfitrión puede tener una movilidad de hueco de menos de 1 x 10-9 cm2/Vs y un coeficiente de absorción de al menos 5 x 104 cm-1 a través de una banda de longitud de onda de 600 nm a 900 nm. Los ejemplos del segundo material anfitrión para servir como donante incluyen ftalocianina de estaño (II) (SnPc) y ftalocianina de plomo (PbPc). Un ejemplo de un tercer material anfitrión para que el tercer material anfitrión sirva como aceptor con el donante SnPc o PbPc es el C60.The second organic photoactive layer can serve as a donor, with the first host material and the second host material having different absorption spectra. Serving as a donor, e1HOMO of the second host material is preferably no more than 0.16 eV above a HOMO of the first host material, and the band gap of the second host material is preferably less than a band gap of the first host material. If serving as a donor, the second host material may have a gap mobility of less than 1 x 10-9 cm2 / Vs and an absorption coefficient of at least 5 x 104 cm-1 across a wavelength band from 600 nm to 900 nm. Examples of the second host material to serve as a donor include tin (II) phthalocyanine (SnPc) and lead phthalocyanine (PbPc). An example of a third host material for the third host material to serve as acceptor with the SnPc or PbPc donor is C60.

La segunda capa fotoactiva orgánica puede servir como aceptor, teniendo el segundo material anfitrión y el tercer material anfitrión espectros de absorción diferentes. Sirviendo como aceptor, el LUMO del segundo material anfitrión está preferentemente no más de 0,16 eV por debajo de un LUMO del tercer material anfitrión. Si sirve como aceptor, la brecha de banda del segundo material anfitrión es preferentemente menor que una brecha de banda del tercer material anfitrión.The second organic photoactive layer can serve as an acceptor, with the second host material and the third host material having different absorption spectra. Serving as an acceptor, the LUMO of the second host material is preferably not more than 0.16 eV below a LUMO of the third host material. If it serves as an acceptor, the band gap of the second host material is preferably less than a band gap of the third host material.

El espesor de la segunda capa fotoconductora orgánica es preferentemente no mayor que 200 A, o más preferentemente, no mayor que 100 A.The thickness of the second organic photoconductive layer is preferably not more than 200 A, or more preferably, not more than 100 A.

El segundo material anfitrión tiene preferentemente un coeficiente de absorción de al menos 5 x 104 cm-1 a través de una banda de longitud de onda de 600 nm a 900 nm, y en el que al menos una parte de la segunda capa fotoactiva orgánica está dispuesta en una longitud de camino óptico de Ar d A1/ 4 desde una superficie reflectante del dispositivo, donde A1 es una longitud de onda en la banda de longitud de onda de 600 nm a 900 nm, d es un entero > 0, y la superficie reflectante es reflectante para al menos el 50 % de la luz incidente en A1. La superficie reflectante puede proporcionarse, por ejemplo, por uno de entre el primer electrodo, el segundo electrodo y un reflector.The second host material preferably has an absorption coefficient of at least 5 x 104 cm-1 across a wavelength band of 600nm to 900nm, and in which at least a portion of the second organic photoactive layer is arranged at an optical path length of Ar d A1 / 4 from a reflective surface of the device, where A1 is a wavelength in the wavelength band of 600nm to 900nm, d is an integer> 0, and the reflective surface is reflective for at least 50% of the incident light at A1. The reflective surface can be provided, for example, by one of the first electrode, the second electrode and a reflector.

El dispositivo puede comprender una pila de células fotoactivas dispuestas entre el primer electrodo y el segundo electrodo. En dicha pila, la serie de capas fotoactivas orgánicas puede ser parte de una primera célula en la pila de células fotoactivas. La pila también incluye al menos una segunda célula fotoactiva que comprende otra heterounión donante-aceptor. La primera célula y la segunda célula de la pila pueden tener diferentes características de absorción. Preferentemente, una absorción promedio de la primera célula es mayor que la absorción promedio de la segunda célula en un intervalo de longitudes de onda A1 ± 5 %, y una absorción promedio de la segunda célula es mayor que la absorción promedio de la primera célula en un intervalo de longitudes de onda A2 ± 5 %, donde A1 > A2 10 %. The device may comprise a stack of photoactive cells arranged between the first electrode and the second electrode. In such a stack, the series of organic photoactive layers can be part of a first cell in the photoactive cell stack. The stack also includes at least one second photoactive cell comprising another donor-acceptor heterojunction. The first cell and the second cell in the stack may have different absorption characteristics. Preferably, an average absorption of the first cell is greater than the average absorption of the second cell in a wavelength range A1 ± 5%, and an average absorption of the second cell is greater than the average absorption of the first cell in a range of wavelengths A2 ± 5%, where A1> A2 10%.

La serie de capas fotoactivas orgánicas puede comprender además una capa de donante-aceptor en bruto o mezclada dispuesta entre la primera capa fotoactiva orgánica y la tercera capa fotoactiva orgánica. La capa de donante-aceptor en bruto o mezclada incluye tanto el primer material anfitrión de la primera capa fotoactiva orgánica como el tercer material anfitrión de la tercera capa fotoactiva orgánica.The series of organic photoactive layers may further comprise a mixed or crude donor-acceptor layer disposed between the first organic photoactive layer and the third organic photoactive layer. The mixed or raw donor-acceptor layer includes both the first host material from the first organic photoactive layer and the third host material from the third organic photoactive layer.

Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings

La figura 1 es un diagrama de nivel de energía que ilustra una heterounión donante-aceptar.Figure 1 is an energy level diagram illustrating a donor-accept heterojunction.

La figura 2 ilustra un dispositivo fotosensible orgánico que incluye una heterounión donante-aceptar.Figure 2 illustrates an organic photosensitive device that includes a donor-accept heterojunction.

La figura 3 ilustra una bicapa donante-aceptar que forma una heterounión plana.Figure 3 illustrates a donor-accept bilayer that forms a flat heterojunction.

La figura 4 ilustra una heterounión híbrida que incluye una heterounión mezclada entre una capa donante y una capa aceptora.Figure 4 illustrates a hybrid heterojunction including a mixed heterojunction between a donor layer and an acceptor layer.

La figura 5 ilustra una heterounión en bruto.Figure 5 illustrates a raw heterojunction.

La figura 6 ilustra un dispositivo fotosensible orgánico que incluye una heterounión de barrera de Schottky.Figure 6 illustrates an organic photosensitive device that includes a Schottky barrier heterojunction.

La figura 7 ilustra células fotosensibles en tándem en serie.Figure 7 illustrates series tandem photosensitive cells.

La figura 8 ilustra células fotosensibles en tándem en paralelo.Figure 8 illustrates tandem photosensitive cells in parallel.

La figura 9 ilustra una heterounión plana modificada para incluir una capa fotoactiva delgada adicional.Figure 9 illustrates a planar heterojunction modified to include an additional thin photoactive layer.

La figura 10A ilustra una sección transversal de un ejemplo de la capa fotoactiva delgada.Figure 10A illustrates a cross section of an example of the thin photoactive layer.

La figura 10B ilustra una sección transversal de un ejemplo inventivo de la capa protectora delgada.Figure 10B illustrates a cross section of an inventive example of the thin protective layer.

La figura 11 ilustra un diagrama de nivel de energía que incluye la capa fotoactiva delgada como donante.Figure 11 illustrates an energy level diagram that includes the thin photoactive layer as a donor.

La figura 12 ilustra un diagrama de nivel de energía que incluye la capa fotoactiva delgada como aceptor.Figure 12 illustrates an energy level diagram that includes the thin photoactive layer as an acceptor.

La figura 13 ilustra una heterounión híbrida que incluye la capa fotoactiva delgada como donante.Figure 13 illustrates a hybrid heterojunction including the thin photoactive layer as a donor.

La figura 14 ilustra una heterounión híbrida que incluye la capa fotoactiva delgada como aceptor.Figure 14 illustrates a hybrid heterojunction including the thin photoactive layer as an acceptor.

La figura 15 ilustra una heterounión plana que incluye una pluralidad de capas fotoactivas delgadas.Figure 15 illustrates a flat joint including a plurality of thin photoactive layers.

La figura 16 ilustra un diagrama de nivel de energía que incluye la pluralidad de capas fotoactivas delgadas para la heterounión plana en la figura 15.Figure 16 illustrates an energy level diagram including the plurality of thin photoactive layers for flat bonding in Figure 15.

La figura 17 ilustra la colocación de las diversas capas para maximizar la absorción por la capa fotoactiva delgada. La figura 18 ilustra la densidad de corriente en función de la tensión, en la oscuridad y bajo diversas intensidades de iluminación, de un ejemplo de célula fotosensible que incluye la capa fotoactiva delgada.Figure 17 illustrates the placement of the various layers to maximize absorption by the thin photoactive layer. Figure 18 illustrates the current density as a function of voltage, in the dark and under various illumination intensities, of an example of a photosensitive cell that includes the thin photoactive layer.

La figura 19 ilustra el factor de relleno de célula (FF) y la tensión de circuito abierto (Voc) en función de la intensidad de iluminación para el mismo dispositivo que la figura 14.Figure 19 illustrates the cell fill factor (FF) and open circuit voltage (V oc ) as a function of illumination intensity for the same device as Figure 14.

La figura 20 ilustra la eficacia de conversión de potencia en función de la intensidad de iluminación para el mismo dispositivo que la figura 14.Figure 20 illustrates the power conversion efficiency versus lighting intensity for the same device as Figure 14.

La figura 21 ilustra la eficacia cuántica exterior y los coeficientes de absorción como una longitud de onda funcional para el mismo dispositivo que la figura 14.Figure 21 illustrates the external quantum efficiency and absorption coefficients as a functional wavelength for the same device as Figure 14.

La figura 22 ilustra los resultados de difracción de rayos X para el material fuente de SnPc purificado usado para la capa fotoactiva delgada, tanto en polvo como depositado en un ITO.Figure 22 illustrates the X-ray diffraction results for the purified SnPc source material used for the thin photoactive layer, both powdered and deposited in an ITO.

La figura 23 ilustra la morfología de superficie de una película de SnPc de 250 A de espesor sobre cuarzo.Figure 23 illustrates the surface morphology of a 250A thick SnPc film on quartz.

Las figuras no están necesariamente dibujadas a escala.The figures are not necessarily drawn to scale.

Descripción detalladaDetailed description

Un dispositivo fotosensible orgánico comprende al menos una región fotoactiva en la que la luz se absorbe para formar un excitón, que posteriormente puede disociarse en un electrón y un hueco. La figura 2 muestra un ejemplo de un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico 100 en el que la región fotoactiva 150 comprende una heterounión donante-aceptor. La "región fotoactiva" es una parte de un dispositivo fotosensible que absorbe la radiación electromagnética para generar excitones que pueden disociarse con el fin de generar una corriente eléctrica. El dispositivo 100 comprende un ánodo 120, una capa de suavizado de ánodo 122, un donante 152, un aceptor 154, una capa de bloqueo de excitones ("EBL") 156 y un cátodo 170, sobre un sustrato 110.An organic photosensitive device comprises at least one photoactive region in which light is absorbed to form an exciton, which can subsequently dissociate into an electron and a hole. Figure 2 shows an example of an organic photosensitive optoelectronic device 100 in which the photoactive region 150 comprises a donor-acceptor heterojunction. The "photoactive region" is a part of a photosensitive device that absorbs electromagnetic radiation to generate excitons that can dissociate in order to generate an electric current. Device 100 comprises an anode 120, an anode smoothing layer 122, a donor 152, an acceptor 154, an exciton blocking layer ("EBL") 156 and a cathode 170, on a substrate 110.

Se describen ejemplos de la EBL 156 en la patente de estados unidos N.° 6.451.415 de Forrest et al., que se cita por su divulgación relacionada con las EBL. También puede encontrarse una explicación adicional de las EBL en Peumans et al., "Efficient photon harvesting at high optical intensities in ultrathin organic double-heterostructure photovoltaic diodes", Cartas físicas aplicadas 76, 2650-52 (2000). Las EBL reducen el enfriamiento al evitar que los excitones migren fuera de los materiales donantes y/o aceptores.Examples of EBL 156 are described in United States Patent No. 6,451,415 to Forrest et al., Which is cited for its disclosure related to EBLs. An additional explanation of EBLs can also be found in Peumans et al., "Efficient photon harvesting at high optical intensities in ultrathin organic double-heterostructure photovoltaic diodes", Applied Physical Letters 76, 2650-52 (2000). EBLs reduce cooling by preventing excitons from migrating out of donor and / or acceptor materials.

Los términos "electrodo" y "contactor" se usan indistintamente en el presente documento para referirse a una capa que proporciona un medio para suministrar corriente fotogenerada a un circuito externo o proporcionar una corriente o tensión de polarización al dispositivo. Como se ilustra en la figura 2, el ánodo 120 y el cátodo 170 son ejemplos. Los electrodos pueden estar compuestos de metales o "sustitutos de metales". En este caso, el término "metal" se usa para abarcar tanto materiales compuestos de un metal elementalmente puro, como también aleaciones metálicas que son materiales compuestos de dos o más metales elementalmente puros. La expresión "sustituto de metal" se refiere a un material que no es un metal dentro de la definición normal, pero que tiene propiedades similares a las de los metales, como la conductividad, tal como los semiconductores dopados de brecha de banda ancha, los semiconductores degenerados, los óxidos conductores y los polímeros conductores. Los electrodos pueden comprender una sola capa o múltiples capas (un electrodo "compuesto"), pueden ser transparentes, semitransparentes u opacos. Los ejemplos de electrodos y materiales de electrodos incluyen los descritos en la patente de Estados Unidos N.° 6.352.777 de Bulovic et al., Y la patente de Estados Unidos N.° 6.420.031, de Parthasarathy, et al.The terms "electrode" and "contactor" are used interchangeably herein to refer to a layer that provides a means of supplying photogenerated current to an external circuit or providing a bias current or voltage to the device. As illustrated in Figure 2, anode 120 and cathode 170 are examples. The electrodes can be composed of metals or "metal substitutes". In this case, the term "metal" is used to encompass both materials composed of an elementally pure metal, as well as metal alloys that are materials composed of two or more elementally pure metals. The term "metal substitute" refers to a material that is not a metal within the normal definition, but has properties similar to those of metals, such as conductivity, such as wideband gap doped semiconductors, degenerate semiconductors, conductive oxides, and conductive polymers. The electrodes can comprise a single layer or multiple layers (a "composite" electrode), they can be transparent, semi-transparent or opaque. Examples of electrodes and electrode materials include those described in US Patent No. 6,352,777 to Bulovic et al., And US Patent No. 6,420,031 to Parthasarathy, et al.

Como se usa en el presente documento, se dice que una capa es "transparente" si transmite al menos el 50 % de la radiación electromagnética ambiental en una longitud de onda relevante. As used herein, a layer is said to be "transparent" if it transmits at least 50% of ambient electromagnetic radiation at a relevant wavelength.

El sustrato 110 puede ser cualquier sustrato adecuado que proporcione las propiedades estructurales deseadas. El sustrato puede ser flexible o rígido, plano o no plano. El sustrato puede ser transparente, translúcido u opaco. Los plásticos rígidos y el vidrio son ejemplos de materiales de sustrato rígidos preferidos. Los plásticos flexibles y las láminas metálicas son ejemplos de materiales de sustrato flexibles preferidos.Substrate 110 can be any suitable substrate that provides the desired structural properties. The substrate can be flexible or rigid, flat or non-flat. The substrate can be transparent, translucent or opaque. Rigid plastics and glass are examples of preferred rigid substrate materials. Flexible plastics and sheet metal are examples of preferred flexible substrate materials.

Una capa de suavizado de ánodo 122 puede estar localizada entre la capa de ánodo 120 y la capa donante 152. Las capas de suavizado de ánodos se describen en la patente de Estados Unidos 6.657.378 de Forrest et al.An anode smoothing layer 122 may be located between the anode layer 120 and the donor layer 152. The anode smoothing layers are described in US Patent 6,657,378 to Forrest et al.

En la figura 2, la región fotoactiva 150 comprende el material donante 152 y el material aceptor 154. Los materiales orgánicos para su uso en la región fotoactiva pueden incluir compuestos organometálicos, que incluyen compuestos organometálicos ciclometalizados. El término "organometálico", como se usa en el presente documento, es en general entendido por un experto en la materia y como se da, por ejemplo, en el Capítulo 13 de "Inorganic Chemistry" (2a edición) de Gary L. Miessler y Donald A. Tarr, Prentice Hall (1999).In Figure 2, the photoactive region 150 comprises donor material 152 and acceptor material 154. Organic materials for use in the photoactive region may include organometallic compounds, including cyclometalated organometallic compounds. The term "organometallic", as used herein, is generally understood by one of skill in the art and as given, for example, in Chapter 13 of "Inorganic Chemistry" (2nd Edition) by Gary L. Miessler and Donald A. Tarr, Prentice Hall (1999).

Las capas orgánicas pueden fabricarse usando deposición al vacío, revestimiento por rotación, deposición orgánica en fase de vapor, impresión por chorro de tinta y otros métodos conocidos en la técnica.Organic layers can be manufactured using vacuum deposition, rotational coating, organic vapor phase deposition, ink jet printing, and other methods known in the art.

En las figuras 3-5 se muestran ejemplos de diversos tipos de heterouniones donantes-aceptores. La figura 3 ilustra una bicapa donante-aceptor que forma una heterounión plana. La figura 4 ilustra una heterounión híbrida que incluye una heterounión mezclada 153 que comprende una mezcla de materiales donantes y aceptores. La figura 5 ilustra una heterounión "en bruto" idealizada. Una heterounión en bruto 253, en el caso ideal de la fotocorriente, tiene una única interfaz continua entre el material donante 252 y el material aceptor 254, aunque normalmente existen múltiples interfaces en los dispositivos reales. Las heterouniones mezcladas y en bruto pueden tener múltiples interfaces donante-aceptor como resultado de tener dominios plurales de material. Dominios que están rodeados por el material de tipo opuesto (por ejemplo, un dominio de material donante rodeado de material receptor) puede estar aislado eléctricamente, de tal manera que estos dominios no contribuyan a la fotocorriente. Otros dominios pueden estar conectados por caminos de percolación (caminos de fotocorriente continua), de tal manera que estos otros dominios pueden contribuir a la fotocorriente. La distinción entre una heterounión mezclada y una en bruto radica en los grados de separación de fases entre los materiales donantes y aceptores. En una heterounión mezclada, hay muy poca o ninguna separación de fases (los dominios son muy pequeños, por ejemplo, menos de unos pocos nanómetros), mientras que en una heterounión en bruto, hay una separación de fases significativa (por ejemplo, formando dominios con tamaños de unos pocos nanómetros a 100 nm).Examples of various types of donor-acceptor hetero junctions are shown in Figures 3-5. Figure 3 illustrates a donor-acceptor bilayer that forms a flat heterojunction. Figure 4 illustrates a hybrid heterojunction including a mixed heterojunction 153 comprising a mixture of donor and acceptor materials. Figure 5 illustrates an idealized "raw" heterojunction. A raw heterojunction 253, ideally the photocurrent, has a single continuous interface between donor material 252 and acceptor material 254, although there are typically multiple interfaces on actual devices. Mixed and raw hetero junctions can have multiple donor-acceptor interfaces as a result of having plural material domains. Domains that are surrounded by material of the opposite type (eg, a domain of donor material surrounded by recipient material) may be electrically isolated, such that these domains do not contribute to the photocurrent. Other domains may be connected by percolation paths (direct photocurrent paths), such that these other domains may contribute to the photocurrent. The distinction between a mixed and a raw heterojunction lies in the degrees of phase separation between the donor and acceptor materials. In a mixed heterojunction, there is little or no phase separation (the domains are very small, for example, less than a few nanometers), while in a crude heterojunction, there is significant phase separation (for example, forming domains with sizes from a few nanometers to 100 nm).

Pueden formarse heterouniones mezcladas de molécula pequeña, por ejemplo, por deposición conjunta de los materiales donantes y aceptores usando deposición al vacío o deposición de vapor. Las heterouniones en bruto de moléculas pequeñas pueden formarse, por ejemplo, por crecimiento controlado, deposición conjunta con recocido posterior al depósito o procesamiento de la solución. Pueden formarse heterouniones poliméricas mezcladas o en bruto, por ejemplo, mediante procesamiento en solución de mezclas de polímeros de materiales donantes y aceptores. Mixed small molecule heterojunctions can be formed, for example, by joint deposition of donor and acceptor materials using vacuum deposition or vapor deposition. Small molecule crude heterojunctions can be formed, for example, by controlled growth, co-deposition with post-annealing, or solution processing. Raw or mixed polymeric heterojunctions can be formed, for example, by solution processing of polymer blends of donor and acceptor materials.

Si una región fotoactiva incluye una capa mezclada (153) o capas en bruto (252, 254) y una o ambas capas donantes (152) y aceptoras (154), se dice que la región fotoactiva incluye una heterounión "híbrida". La disposición de las capas en la figura 4 es un ejemplo. Para una explicación adicional de las heterouniones híbridas, se cita la solicitud de patente publicada en los Estados Unidos 2005-0224113 A1 titulada "High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions" por Jiangeng Xue et al., publicada el 13 de octubre de 2005.If a photoactive region includes a mixed layer (153) or raw layers (252, 254) and one or both donor (152) and acceptor layers (154), the photoactive region is said to include a "hybrid" heterojunction. The arrangement of the layers in Figure 4 is an example. For further explanation of hybrid heterojunctions, US patent application 2005-0224113 A1 is cited entitled "High efficiency organic photovoltaic cells employing hybridized mixed-planar heterojunctions" by Jiangeng Xue et al., Published Oct. 13. from 2005.

En general, las heterouniones planas tienen una buena conducción de portador, pero una disociación de excitón pobre; una capa mezclada tiene una mala conducción de portador y una buena disociación de excitón, y una heterounión en bruto tiene una buena conducción de portador y una buena disociación de excitón, pero puede experimentar acumulación de carga al final del material "cul-de-sacs", disminuyendo la eficacia. A menos que se indique lo contrario, las heterouniones planas, mezcladas, en bruto e híbridas pueden usarse indistintamente como heterouniones donanteaceptor en todas las realizaciones descritas en el presente documento.In general, flat heterojunctions have good carrier conduction, but poor exciton dissociation; a mixed layer has poor carrier conduction and good exciton dissociation, and a crude heterojunction has good carrier conduction and good exciton dissociation, but may experience charge build-up at the end of the cul-de-sacs material ", decreasing efficiency. Unless otherwise indicated, flat, mixed, crude, and hybrid heterojunks may be used interchangeably as donor-acceptor heterojunctions in all of the embodiments described herein.

La figura 6 muestra un ejemplo de un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico 300 en el que la región fotoactiva 350 es parte de una heterounión de barrera de Schottky. El dispositivo 300 comprende un contacto transparente 320, una región fotoactiva 350 que comprende un material fotoconductor orgánico 358 y un contacto de Schottky 370. El contacto de Schottky 370 se forma normalmente como una capa de metal. Si la capa fotoconductora 358 es una ETL, puede usarse un metal de alta función de trabajo como el oro, mientras que si la capa fotoconductora es una HTL, puede usarse un metal de baja función de trabajo como aluminio, magnesio o indio. En una célula de barrera de Schottky, un campo eléctrico incorporado asociado con la barrera de Schottky separa el electrón y el hueco en un excitón. En general, esta disociación de excitón asistida por campo no es tan eficaz como la disociación en una interfaz donante-aceptor.Figure 6 shows an example of an organic photosensitive optoelectronic device 300 in which the photoactive region 350 is part of a Schottky barrier heterojunction. Device 300 comprises a transparent contact 320, a photoactive region 350 comprising an organic photoconductive material 358, and a Schottky 370 contact. The Schottky 370 contact is normally formed as a metal layer. If the photoconductive layer 358 is an ETL, a high working function metal such as gold can be used, while if the photoconductive layer is an HTL, a low working function metal such as aluminum, magnesium or indium can be used. In a Schottky barrier cell, a built-in electric field associated with the Schottky barrier separates the electron and the hole in an exciton. In general, this field-assisted exciton dissociation is not as effective as dissociation at a donor-acceptor interface.

Los dispositivos como se ilustra pueden estar conectados a un elemento 190. Si el dispositivo es un dispositivo fotovoltaico, el elemento 190 es una carga resistiva que consume o almacena energía. Si el dispositivo es un fotodetector, el elemento 190 es un circuito de detección de corriente que mide la corriente generada cuando el fotodetector está expuesto a la luz, y que puede aplicar una polarización al dispositivo (como se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente publicada de Estados Unidos 2005-0110007 A1, publicada el 26 de mayo de 2005 a Forrest et al.). Si la unión rectificadora se elimina del dispositivo (por ejemplo, usando un solo material fotoconductor como la región fotoactiva), las estructuras resultantes pueden usarse como una célula fotoconductora, en cuyo caso el elemento 190 es un circuito de detección de señal para monitorizar cambios en la resistencia a través del dispositivo debido a la absorción de luz. A menos que se indique lo contrario, cada una de estas disposiciones y modificaciones puede usarse para los dispositivos en cada uno de los dibujos y realizaciones desveladas en el presente documento. Devices as illustrated may be connected to an element 190. If the device is a photovoltaic device, element 190 is a resistive load that consumes or stores energy. If the device is a photodetector, element 190 is a current detection circuit that measures the current generated when the Photodetector is exposed to light, and may polarize the device (as described, for example, in United States published patent application 2005-0110007 A1, published May 26, 2005 to Forrest et al.) . If the rectifying junction is removed from the device (for example, using a single photoconductive material as the photoactive region), the resulting structures can be used as a photoconductive cell, in which case element 190 is a signal detection circuit to monitor changes in resistance through the device due to light absorption. Unless otherwise indicated, each of these arrangements and modifications may be used for the devices in each of the drawings and embodiments disclosed herein.

Un dispositivo optoelectrónico fotosensible orgánico también puede comprender capas de transferencia de carga transparentes, electrodos o zonas de recombinación de carga. Una capa de transferencia de carga puede ser orgánica o inorgánica, y puede o no ser activa fotoconductoramente. Una capa de transferencia de carga es similar a un electrodo, pero no tiene una conexión eléctrica exterior al dispositivo y entrega portadores de carga desde una subsección de un dispositivo optoelectrónico a la subsección adyacente. Una zona de recombinación de carga es similar a una capa de transferencia de carga, pero permite la recombinación de electrones y huecos entre subsecciones adyacentes de un dispositivo optoelectrónico. Una zona de recombinación de carga puede incluir centros de recombinación de metal semitransparente o sustituto de metal que comprenden nanogrupos, nanopartículas y/o nanobarras, como se describe, por ejemplo, en la patente de Estados Unidos N.° 6.657.378 de Forrest et al.; La solicitud de patente de Estados Unidos 10/915.410 titulada "Organic Photosensitive Devices" de Rand et al. presentada el 11 de agosto de 2004; y la solicitud de patente de Estados Unidos 10/979.145 titulada "Stacked Organic Photosensitive Devices" por Forrest et al. presentada el 3 de noviembre de 2004; cada una citada para su divulgación de materiales y estructuras de zonas de recombinación. Una zona de recombinación de carga puede incluir o no una capa de matriz transparente en la que están incrustados los centros de recombinación. Una capa de transferencia de carga, electrodo o zona de recombinación de carga puede servir como cátodo y/o ánodo de subsecciones del dispositivo optoelectrónico. Un electrodo o capa de transferencia de carga puede servir como contacto de Schottky. An organic photosensitive optoelectronic device may also comprise transparent charge transfer layers, electrodes, or charge recombination zones. A charge transfer layer may be organic or inorganic, and may or may not be photoconductively active. A charge transfer layer is similar to an electrode, but does not have an external electrical connection to the device and delivers charge carriers from one subsection of an optoelectronic device to the adjacent subsection. A charge recombination zone is similar to a charge transfer layer, but allows the recombination of electrons and holes between adjacent subsections of an optoelectronic device. A loading recombination zone may include semi-transparent metal or metal substitute recombination centers comprising nanogroups, nanoparticles, and / or nanobars, as described, for example, in US Patent No. 6,657,378 to Forrest et al. to the.; United States patent application 10 / 915,410 entitled "Organic Photosensitive Devices" by Rand et al. filed on August 11, 2004; and US Patent Application 10 / 979,145 titled "Stacked Organic Photosensitive Devices" by Forrest et al. filed on November 3, 2004; each cited for disclosure of materials and structures of recombination sites. A charge recombination zone may or may not include a transparent matrix layer in which the recombination centers are embedded. A charge transfer layer, electrode, or charge recombination zone can serve as a cathode and / or anode for subsections of the optoelectronic device. An electrode or charge transfer layer can serve as a Schottky contact.

Las figuras 7 y 8 ilustran ejemplos de dispositivos en tándem que incluyen tales capas de transferencia de carga transparentes, electrodos y zonas de recombinación de carga. En el dispositivo 400 en la figura 7, las regiones fotoactivas 150 y 150' se apilan eléctricamente en serie con una región conductora de intervención 460. Como se ilustra sin conexiones eléctricas externas, la región conductora de intervención 460 puede ser una zona de recombinación de carga o puede ser una capa de transferencia de carga. Como zona de recombinación, la región 460 comprende centros de recombinación 461 con o sin una capa de matriz transparente. Si no hay una capa de matriz, la disposición del material que forma la zona puede no ser continua a través de la región 460. El dispositivo 500 en la figura 8 ilustra las regiones fotoactivas 150 y 150' apiladas eléctricamente en paralelo, estando la célula superior en una configuración invertida (es decir, cátodo descendente). En cada una de las figuras 7 y 8, las regiones fotoactivas 150 y 150' y las capas de bloqueo 156 y 156' pueden formarse con los mismos materiales respectivos, o materiales diferentes, en función de la aplicación. Asimismo, las regiones fotoactivas 150 y 150' pueden ser del mismo tipo (es decir, planas, mixtas, en bruto, híbridas) de heterounión, o puede ser de diferentes tipos.Figures 7 and 8 illustrate examples of tandem devices including such transparent charge transfer layers, electrodes, and charge recombination zones. In device 400 in FIG. 7, photoactive regions 150 and 150 'are electrically stacked in series with an intervention lead region 460. As illustrated without external electrical connections, the intervention lead region 460 may be a recombination zone of charge or it can be a charge transfer layer. As the recombination zone, region 460 comprises recombination centers 461 with or without a transparent matrix layer. If there is no matrix layer, the arrangement of the zone-forming material may not be continuous through region 460. Device 500 in Figure 8 illustrates the photoactive regions 150 and 150 'stacked electrically in parallel, the cell being superior in an inverted configuration (i.e. descending cathode). In each of Figures 7 and 8, the photoactive regions 150 and 150 'and the blocking layers 156 and 156' may be formed from the same respective materials, or different materials, depending on the application. Also, the photoactive regions 150 and 150 'may be of the same type (ie, flat, mixed, raw, hybrid) of heterojunction, or may be of different types.

En cada uno de los dispositivos descritos anteriormente, pueden omitirse capas, tales como las capas de bloqueo de excitones. Se pueden agregar otras capas, como capas reflectantes o regiones fotoactivas adicionales. El orden de las capas puede alterarse o invertirse. Puede emplearse una configuración de concentrador o atrapamiento para aumentar la eficacia, como se desvela, por ejemplo, en la patente de Estados Unidos N.° 6.333.458 de Forrest et al. y la patente de Estados Unidos N.° 6.440.769 de Peumans et al.In each of the devices described above, layers can be omitted, such as exciton blocking layers. Other layers can be added, such as reflective layers or additional photoactive regions. The order of the layers can be altered or reversed. A concentrator or entrapment configuration can be used to increase efficiency, as disclosed, for example, in Forrest et al., US Patent No. 6,333,458. and United States Patent No. 6,440,769 to Peumans et al.

Los recubrimientos pueden usarse para enfocar la energía óptica en las regiones deseadas de un dispositivo, como se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente de Estados Unidos N.° 10/857.747 titulada "Aperiodic dielectric multilayer stack" por Peumans et al. presentada el 1 de junio de 2004. En los dispositivos en tándem, pueden formarse capas aislantes transparentes entre las células, con la conexión eléctrica entre las células a través de electrodos. También en los dispositivos en tándem, una o más de las regiones fotoactivas pueden ser una heterounión de barrera de Schottky en lugar de una heterounión donante-aceptor. Pueden usarse disposiciones distintas de las descritas específicamente.The coatings can be used to focus optical energy on the desired regions of a device, as described, for example, in US Patent Application No. 10 / 857,747 entitled "Aperiodic dielectric multilayer stack" by Peumans et al. filed June 1, 2004. In tandem devices, transparent insulating layers can form between the cells, with the electrical connection between the cells through electrodes. Also in tandem devices, one or more of the photoactive regions may be a Schottky barrier heterojunction rather than a donor-acceptor heterojunction. Provisions other than those specifically described may be used.

Los dispositivos fotovoltaicos producen una corriente fotogenerada cuando se conectan a través de una carga y se irradian por la luz. Cuando se irradia bajo una carga infinita, un dispositivo fotovoltaico genera su tensión máxima posible, circuito abierto V o Voc. Cuando se irradia con sus contactos eléctricos en cortocircuito, un dispositivo fotovoltaico genera su máxima corriente posible, cortocircuito I, o Isc. Cuando realmente se usa para generar energía, un dispositivo fotovoltaico está conectado a una carga resistiva finita y la salida de energía se proporciona por el producto de la corriente y la tensión, I * V. La potencia total máxima generada por un dispositivo fotovoltaico es inherentemente incapaz de superar el producto, Isc * Voc. Cuando el valor de la carga está optimizado para la máxima extracción de potencia, la corriente y la tensión tienen los valores, Imáx y Vmáx, respectivamente.Photovoltaic devices produce a photogenerated current when connected via a load and irradiated by light. When irradiated under infinite load, a photovoltaic device generates its maximum possible voltage, open circuit V or V oc . When irradiated with its electrical contacts short circuited, a photovoltaic device generates its maximum possible current, short circuit I, or I sc . When actually used to generate power, a photovoltaic device is connected to a finite resistive load, and the power output is provided by the product of the current and voltage, I * V. The maximum total power generated by a photovoltaic device is inherently unable to beat the product, I sc * V oc . When the load value is optimized for maximum power extraction, the current and voltage have the values, Imax and Vmax, respectively.

Una figura de mérito para los dispositivos fotovoltaicos es el factor de relleno, ff definido como:A figure of merit for photovoltaic devices is the fill factor, ff defined as:

# - í i m á x V máx} / { ; i s c ^ o c } # - í i m á x V max} / {; i s c ^ o c}

dónde ff siempre es menor que 1, como Isc y Voc nunca se obtienen simultáneamente durante el funcionamiento real. No obstante, como ff se aproxima a 1, el dispositivo tiene menos resistencia serie o interna y, por lo tanto, ofrece un mayor porcentaje del producto de Isc y Voc a la carga en condiciones óptimas. Donde Pinc es el incidente de potencia en un dispositivo, la eficacia potencia del dispositivo, p, puede calcularse mediante:where ff is always less than 1, as I sc and V or c are never obtained simultaneously during actual operation. However, as ff approaches 1, the device has less internal or serial resistance, and therefore offers a higher percentage of the product of I sc and V oc at load under optimal conditions. Where Pinc is the power incident on a device, the power efficiency of the device, p, can be calculated by:

F =#* CSC *V0C)/BineF = # * CSC * V0C) / Bine

Las células fotovoltaicas orgánicas tienen muchas ventajas potenciales en comparación con los dispositivos tradicionales basados en silicio. Las células fotovoltaicas orgánicas son livianas en peso, económicas en el uso de materiales y pueden depositase en sustratos de bajo coste, tales como láminas de plástico flexibles. Sin embargo, algunos dispositivos fotovoltaicos orgánicos suelen tener una eficacia cuántica externa relativamente baja, del orden de 1 % o menos. Esto, en parte, se cree que se debe a la naturaleza de segundo orden del proceso fotoconductor intrínseco. Es decir, la generación de portadores necesita de la generación, difusión e ionización o recolección de excitones. Hay una eficacia asociada con cada uno de estos procesos. Los subíndices pueden usarse de la siguiente manera: P para eficacia de potencia, EQE para eficacia cuántica externa, A para absorción de fotones, ED para difusión de excitones, CC para recolección de carga e INT para eficacia cuántica interna. Usando esta notación:Organic photovoltaic cells have many potential advantages compared to traditional silicon-based devices. Organic photovoltaic cells are light in weight, inexpensive in the use of materials, and can deposit on low-cost substrates, such as flexible plastic sheeting. However, some organic PV devices typically have a relatively low external quantum efficiency, on the order of 1% or less. This, in part, is believed to be due to the second-order nature of the intrinsic photoconductive process. That is, the generation of carriers requires the generation, diffusion, and ionization or collection of excitons. There is an efficacy associated with each of these processes. The subscripts can be used as follows: P for power efficiency, EQE for external quantum efficiency, A for photon absorption, ED for exciton diffusion, CC for charge collection, and INT for internal quantum efficiency. Using this notation:

^ = * Hs^ = * Hs

V p V EQE y A ??ED V c cV p V EQE and A ?? ED V cc

— *- *

í/eqe Va í?int í / eqe V a í? int

Los fotodetectores y las células fotovoltaicas (PV) que usan películas delgadas orgánicas de pequeño peso molecular depositadas sobre sustratos de plástico tienen las ventajas potenciales de ser de bajo coste y ligeros. Véase S.R. Forrest, "The path to ubiquitous and low-cost organic electronic appliances on plastic", Nature 428, 911-918 (2004). Recientemente, la eficacia de conversión de potencia de las células PV orgánicas moleculares ha mejorado constantemente debido al uso de nuevos materiales y arquitecturas de dispositivos. Véase S.R. Forrest, "The Limits to Organic Photovoltaic Cell Efficiency", Boletín 30 de MRS, 28-32 (2005); y J. Xue et al., "Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hybrid planar-mixed molecular heterojunctions", Cartas físicas aplicadas 85, 5757-5759 (2004). Photodetectors and photovoltaic (PV) cells using small molecular weight organic thin films deposited on plastic substrates have the potential advantages of being low cost and lightweight. See S.R. Forrest, "The path to ubiquitous and low-cost organic electronic appliances on plastic", Nature 428, 911-918 (2004). Recently, the power conversion efficiency of molecular organic PV cells has been constantly improved due to the use of new materials and device architectures. See S.R. Forrest, "The Limits to Organic Photovoltaic Cell Efficiency", MRS Bulletin 30, 28-32 (2005); and J. Xue et al., "Asymmetric tandem organic photovoltaic cells with hybrid planar-mixed molecular heterojunctions", Applied Physical Letters 85, 5757-5759 (2004).

Sin embargo, un problema con la conversión de energía PV orgánica es la superposición limitada entre la absorción de capa activa con el espectro solar. De hecho, más del 60 % del flujo total de fotones solares está en longitudes de onda A > 600 nm con aproximadamente el 50 % en el espectro rojo e infrarrojo cercano (NIR) a 600 < A <1000 nm. Por lo tanto, deben desarrollarse nuevos materiales que puedan absorber la radiación NIR y convertir eficazmente los fotones absorbidos en corriente.However, one problem with organic PV energy conversion is the limited overlap between active layer absorption with the solar spectrum. In fact, over 60% of the total solar photon flux is at wavelengths A> 600 nm with approximately 50% in the red and near infrared (NIR) spectrum at 600 <A <1000 nm. Therefore, new materials must be developed that can absorb NIR radiation and effectively convert absorbed photons into current.

Recientemente, una célula solar basada en polímeros sensibles a la radiación NIR hasta A = 1000 nm logró una eficacia de conversión de potencia de 0,3 % bajo 1 iluminación solar. Véase X.J. Wang y et al., Cartas físicas aplicadas 85, 5081 (2004). Sin embargo, los esfuerzos previos con materiales de moléculas pequeñas no han podido extender la capacidad de respuesta del dispositivo a NIR.Recently, a solar cell based on NIR radiation sensitive polymers up to A = 1000nm achieved a power conversion efficiency of 0.3% under 1 sunlight. See X.J. Wang et al., Applied Physical Letters 85, 5081 (2004). However, previous efforts with small molecule materials have failed to extend the device's responsiveness to NIR.

La investigación sobre el desarrollo de un dispositivo fotosensible de molécula pequeña ha producido una nueva arquitectura que, además de lograr la capacidad de respuesta NIR, puede usarse para ajustar y/o ampliar la sensibilidad de cualquier heterounión donante-aceptor. Al incorporar una capa de sensibilización delgada entre el donante y el aceptor, esta nueva arquitectura permite la construcción de dispositivos fotosensibles que retienen el espesor total del dispositivo, pero que pueden producir fotocorriente en una parte del espectro que de otro modo sería inaccesible usando otros materiales.Research into the development of a small molecule photosensitive device has produced a new architecture that, in addition to achieving NIR responsiveness, can be used to adjust and / or extend the sensitivity of any donor-acceptor heterojunction. By incorporating a thin sensitizing layer between the donor and acceptor, this new architecture enables the construction of photosensitive devices that retain the full thickness of the device, but can produce photocurrent in a part of the spectrum that would otherwise be inaccessible using other materials. .

Además, se dispone de una gama más amplia de materiales diferentes para usar como capa de sensibilización delgada que de lo contrario sería viable como una capa donante o aceptora convencional. Por ejemplo, puede emplearse un material que tenga movilidad de portador de baja carga sin pérdida de rendimiento del dispositivo. Al emparejar la capa de sensibilización delgada con una capa donante o aceptora energéticamente favorable, la capa de sensibilización delgada contribuye a la fotocorriente, sin evitar el transporte de portador entre el donante y el aceptor. In addition, a wider range of different materials are available for use as a thin sensitization layer that would otherwise be viable as a conventional donor or acceptor layer. For example, a material that has low charge carrier mobility can be used without loss of device performance. By pairing the thin sensitization layer with an energy-friendly donor or acceptor layer, the thin sensitization layer contributes to the photocurrent, without preventing carrier transport between the donor and acceptor.

La figura 9 ilustra una heterounión donante-aceptor, como se usa en los dispositivos (por ejemplo, 100, 400, 500) tratados anteriormente, modificada para incorporar la nueva capa de sensibilización delgada 980 dentro de una región fotoactiva 950. La capa de sensibilización delgada 980 comprende un material anfitrión que es diferente del donante 152 o del aceptor 154. Un "material anfitrión" de una capa fotoactiva orgánica, como se define en este caso, es una molécula orgánica fotoactiva que constituye más del 50 % molar de la capa respectiva. La capa de sensibilización delgada 980 puede configurarse como donante o como aceptor. En cualquier caso, una distancia desde cualquier punto dentro del material anfitrión de la capa de sensibilización 980 hasta un límite de esa capa no es más de una longitud de difusión de excitón en una mayor parte (> 50 %) de la zona de la capa de sensibilización delgada 980. Una longitud de difusión de excitón es la distancia de desplazamiento en la que los excitones 1/e se deterioran/se recombinan. La distancia está en una "mayor parte" de la zona ya que la capa 980 puede incluir efectos de borde y pequeñas variaciones en el espesor local. (por ejemplo, golpes y cuentas). Preferentemente, se evitan los efectos de borde y similares, y la distancia desde cualquier punto dentro del material anfitrión de la capa de sensibilización delgada 980 hasta un límite de esa capa no es más que una longitud de difusión de excitón en la totalidad de la zona de la capa de sensibilización delgada 980. Preferentemente, incluso si el doble de esta distancia a través de la capa de sensibilización 980 es superior a 200 A, el espesor de la capa no es superior a 200 A. Más preferentemente, el espesor de la capa no es mayor que 100 A.Figure 9 illustrates a donor-acceptor heterojunction, as used in the devices (eg, 100, 400, 500) discussed above, modified to incorporate the new thin sensitization layer 980 within a photoactive region 950. The sensitization layer Thin 980 comprises a host material that is different from donor 152 or acceptor 154. A "host material" of an organic photoactive layer, as defined herein, is a photoactive organic molecule that constitutes more than 50 mole% of the layer respective. Thin sensitization layer 980 can be configured as either a donor or an acceptor. In any case, a distance from any point within the host material of the sensitization layer 980 to a boundary of that layer is not more than one exciton diffusion length over a greater part (> 50%) of the zone of the layer 980 thin sensitization. An exciton diffusion length is the displacement distance at which excitons 1 / e deteriorate / se recombine. The distance is in a "larger part" of the area since layer 980 may include edge effects and small variations in local thickness. (eg, bumps and beads). Preferably, edge effects and the like are avoided, and the distance from any point within the host material of the thin sensitization layer 980 to a boundary of that layer is no more than an exciton diffusion length over the entire area. of the thin sensitization layer 980. Preferably, even if twice this distance through the sensitization layer 980 is greater than 200 A, the thickness of the layer is not greater than 200 A. More preferably, the thickness of the layer is not greater than 100 A.

Debido a problemas de eficacia, puede alcanzarse un equilibrio entre la delgadez y la contribución de la fotocorriente de la capa de sensibilización 980. Favorecer una capa delgada es el deseo de minimizar la resistividad a través de la capa fotoactiva para los portadores que transitan entre la capa donante 152 y la capa aceptora 154, y maximizar la capacidad de los excitones formados en la capa de sensibilización 980 para alcanzar una interfaz de rectificación. Favorecer una capa gruesa es el volumen en el que los fotones pueden absorberse en la banda de absorción de longitud de onda de la capa de sensibilización 980. Si bien dos longitudes de difusión de excitón es un límite superior de espesor idealizado, se espera que para la mayor parte de las combinaciones de materiales y espectros de fuente de luz, sea deseable una capa de sensibilización más delgada 980.Due to efficiency issues, a balance can be struck between the thinness and the photocurrent contribution of sensitization layer 980. Favoring a thin layer is the desire to minimize resistivity across the photoactive layer for carriers transiting between the donor layer 152 and acceptor layer 154, and maximize the ability of excitons formed in sensitization layer 980 to reach a rectification interface. Favoring a thick layer is the volume at which photons can be absorbed in the wavelength absorption band of sensitization layer 980. While two exciton diffusion lengths is an idealized upper limit of thickness, it is expected that for For most combinations of materials and light source spectra, a thinner sensitizing layer 980 is desirable.

Mientras que la capa de sensibilización delgada 980 puede ser sólida, la capa de sensibilización delgada inventiva 980 de la invención es porosa, como se ilustra en la figura 10A. Si es porosa, la capa de sensibilización 980 incluye una pluralidad de caminos 1001 (es decir, aberturas) a través de una capa unitaria. Las capas adyacentes (por ejemplo, el donante 152 y el aceptor 154) hacen contacto directamente entre sí a través de los caminos 1001, proporcionando a los portadores de carga una ruta directa entre las capas. Los caminos 1001 pueden manifestarse durante el proceso de deposición debido, por ejemplo, al uso de una capa delgada 980 tal que existe una irregularidad natural en la cobertura (por ejemplo, el crecimiento hasta que los sitios de nucleación material se conectan, pero antes de que se llenen todos los huecos), o al tener irregularidades en la superficie de la capa subyacente ( por ejemplo, donante 152) que da como resultado una cobertura irregular.While the thin sensitizing layer 980 may be solid, the inventive thin sensitizing layer 980 of the invention is porous, as illustrated in Figure 10A. If porous, sensitization layer 980 includes a plurality of paths 1001 (ie, openings) through a unitary layer. Adjacent layers (eg, donor 152 and acceptor 154) contact each other directly through paths 1001, providing cargo carriers with a direct route between the layers. Pathways 1001 may manifest during the deposition process due, for example, to the use of a thin layer 980 such that there is a natural irregularity in coverage (for example, growth until material nucleation sites are connected, but before all gaps to be filled), or having irregularities on the surface of the underlying layer (eg donor 152) resulting in uneven coverage.

La figura 10B es otro ejemplo de capa delgada 980. En este ejemplo, que es útil para comprender la invención, la capa comprende una pluralidad de islas discontinuas de material. Las islas 1002 pueden manifestarse durante el proceso de deposición debido a, por ejemplo, la detección del crecimiento poco después de la nucleación.Figure 10B is another example of thin layer 980. In this example, which is useful in understanding the invention, the layer comprises a plurality of discontinuous islands of material. Islands 1002 can manifest during the deposition process due to, for example, detecting growth shortly after nucleation.

Puede seleccionarse una capa sólida, una capa discontinua de islas o una capa unitaria porosa durante la fabricación simplemente controlando cuánto tiempo se permite que continúe el crecimiento después de la nucleación del material. Si bien pueden operarse los tres estilos de la capa 980, la capa unitaria porosa se prefiere por su equilibrio de zona de superficie fotoactiva mientras proporciona un tránsito directo de portador de carga entre capas adyacentes (por ejemplo, el donante 152 y el aceptor 154) a través de los caminos 1001.A solid layer, a discontinuous island layer, or a porous unitary layer can be selected during manufacturing simply by controlling how long growth is allowed to continue after nucleation of the material. While all three styles of layer 980 can be operated, the porous unit layer is preferred for its balance of photoactive surface area while providing direct charge carrier transit between adjacent layers (eg, donor 152 and acceptor 154) across the roads 1001.

Preferentemente, la capa de sensibilización delgada 980 es un material de molécula pequeña. Del mismo modo, se prefiere en la capa donante 152 y la capa aceptora 154 sean también materiales de molécula pequeña. Para absorber un NIR, el segundo material puede tener un coeficiente de absorción de al menos 5 * 104 cm-1 a través de una banda de longitud de onda de 600 nm a 900 nm. Para maximizar la cobertura de los espectros de absorción, las tres capas fotoactivas (152, 980, 154) pueden tener cada una de las mismas un espectro de absorción diferente.Preferably, the thin sensitization layer 980 is a small molecule material. Similarly, it is preferred that donor layer 152 and acceptor layer 154 also be small molecule materials. To absorb a NIR, the second material can have an absorption coefficient of at least 5 * 104 cm-1 across a wavelength band of 600nm to 900nm. To maximize the coverage of the absorption spectra, the three photoactive layers (152, 980, 154) can each have a different absorption spectrum.

Cuando la capa de sensibilización delgada 980 sirve como donante en la figura 11 tiene un material anfitrión diferente al de la capa donante 152. Preferentemente, el HOMO de la capa de sensibilización delgada 980 no es más de 5kT por encima del HOMO de la capa donante 152 (k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura de operación), evitando de este modo la captura de huecos en la interfaz de capa donante (152)-capa de sensibilización (980). Esta diferencia en los niveles de HOMO se ilustra como AE1 en la figura 11.When the thin sensitization layer 980 serves as the donor in FIG. 11 it has a different host material than the donor layer 152. Preferably, the HOMO of the thin sensitization layer 980 is not more than 5kT above the HOMO of the donor layer 152 (k is the Boltzmann constant and T is the operating temperature), thus avoiding the capture of gaps at the interface of donor layer (152) -sensitization layer (980). This difference in HOMO levels is illustrated as AE1 in Figure 11.

Las temperaturas de operación para dispositivos fotosensibles orgánicos se especifican comúnmente como que tienen un intervalo de T = -40 °C a 100 °C. Por lo tanto, usando 100 °C como límite máximo y resolviendo para 35 kT (es decir, 5 x 1,3806505E-23 (J/K) / 1,602E-19 (J/eV) x (T °C 273,15) °K), e1HOMO de la capa de sensibilización delgada 980 no debe estar a más de 0,16 eV por encima del HOMO de la capa donante 152.Operating temperatures for organic photosensitive devices are commonly specified as having a range of T = -40 ° C to 100 ° C. Therefore, using 100 ° C as the maximum limit and solving for 35 kT (i.e. 5 x 1,3806505E-23 (J / K) / 1,602E-19 (J / eV) x (T ° C 273.15 ) ° K), the HOMO of the thin sensitization layer 980 should not be more than 0.16 eV above the HOMO of the donor layer 152.

Si se dispone la capa de sensibilización 980 como donante, la brecha de banda del material que forma la capa de sensibilización 980 puede ser menor que la brecha de banda del material que forma la capa de donante 152. Ya que la sensibilidad de absorción es, en general, inversamente proporcional a la brecha de banda de un material puro, disponer las brechas de banda de esta manera permite la absorción de fotones de mayor longitud de onda de lo que ocurriría con la capa donante 152 sola.If the sensitization layer 980 is arranged as a donor, the band gap of the material forming the sensitization layer 980 may be less than the band gap of the material forming the donor layer 152. Since the absorption sensitivity is, In general, inversely proportional to the band gap of a pure material, arranging the band gaps in this way allows for the absorption of photons of greater wavelength than would occur with donor layer 152 alone.

Al mantener la capa de sensibilización 980 delgada, puede usarse toda una clase de materiales que de otra manera no serían viables con una eficacia razonable en un dispositivo fotoactivo. Por ejemplo, si se usa la capa de sensibilización 980 como donante, un material anfitrión de la capa de sensibilización 980 puede tener una movilidad del hueco de menos de 1 x 10-9 cm2/Vs. Clásicamente, el uso de un material como donante es contraintuitivo, ya que la alta movilidad de los huecos es una característica buscada por los donantes para maximizar la eficacia cuántica externa del dispositivo. Sin embargo, hay muchos materiales de baja movilidad de huecos, como la ftalocianina de estaño (II) (SnPc) y la ftalocianina de plomo (PbPc) con escasa movilidad de huecos, pero con coeficientes de absorción de al menos 5 x 104 cm-1 a través de una banda de longitud de onda de 600 nm a 900 nm.By maintaining the sensitization layer 980 thin, a whole class of materials can be used that would otherwise not be viable with reasonable efficiency in a photoactive device. For example, if sensitization layer 980 is used as a donor, a host material of sensitization layer 980 may have a gap mobility of less than 1 x 10-9 cm2 / Vs. Classically, the use of a material as a donor is counterintuitive, since the high mobility of the gaps is a feature sought by donors to maximize the external quantum efficiency of the device. However, there are many low void mobility materials, such as phthalocyanine from tin (II) (SnPc) and lead phthalocyanine (PbPc) with poor void mobility, but with absorption coefficients of at least 5 x 104 cm-1 across a wavelength band of 600 nm to 900 nm .

Por lo tanto, pueden usarse materiales con propiedades de absorción altamente deseables pero con propiedades de movilidad deficientes en la capa de sensibilización 980, aunque tales materiales pueden no haberse usado anteriormente debido a sus propiedades de movilidad deficientes.Therefore, materials with highly desirable absorption properties but with poor mobility properties can be used in sensitization layer 980, although such materials may not have been used previously due to their poor mobility properties.

Cuando la capa de sensibilización delgada 980 sirve como aceptor en la figura 12, tiene un material anfitrión diferente al de la capa aceptora 154. Preferentemente, el LUMO de la capa de sensibilización delgada 980 no es más que 5kT por debajo del LUMO de la capa aceptora 154, evitando de este modo la captura de electrones en la interfaz de capa aceptora (154)- capa de sensibilización (980). Esta diferencia en los niveles de LUMO se ilustra como AE2 en la figura 12.When thin sensitizing layer 980 serves as an acceptor in FIG. 12, it has a different host material than acceptor layer 154. Preferably, the LUMO of thin sensitizing layer 980 is no more than 5kT below the LUMO of the layer. acceptor 154, thereby avoiding electron capture at the acceptor layer interface (154) - sensitization layer (980). This difference in LUMO levels is illustrated as AE2 in Figure 12.

Si se dispone la capa de sensibilización 980 como aceptor, la brecha de banda del material que forma la capa de sensibilización 980 puede ser menor que la brecha de banda del material que forma la capa de aceptora 154. Ya que la sensibilidad de absorción es, en general, inversamente proporcional a la brecha de banda de un material puro, al disponer las brechas de banda de esta manera se permite la absorción de fotones de longitud de onda más larga de lo que ocurriría con la capa aceptora 154 sola.If sensitization layer 980 is provided as an acceptor, the band gap of the material forming sensitization layer 980 may be less than the band gap of the material forming acceptor layer 154. Since the absorption sensitivity is, In general, inversely proportional to the band gap of a pure material, arranging the band gaps in this way allows absorption of longer wavelength photons than would occur with acceptor layer 154 alone.

Al mantener la capa de sensibilización 980 delgada, puede usarse un material anfitrión que tenga una movilidad de electrones de menos de 1 x 10-9 cm2/V. Clásicamente, el uso de un material tal como aceptor es contraintuitivo, ya que la alta movilidad de electrones es una característica buscada por los aceptores para maximizar la eficacia cuántica externa del dispositivo. Por lo tanto, pueden usarse materiales con propiedades de absorción altamente deseables pero con propiedades de movilidad deficientes en la capa de sensibilización 980, aunque tales materiales pueden no haberse usado anteriormente debido a sus propiedades de movilidad deficientes.By maintaining the sensitization layer 980 thin, a host material having an electron mobility of less than 1 x 10-9 cm2 / V can be used. Classically, the use of a material such as an acceptor is counterintuitive, since high electron mobility is a feature sought by acceptors to maximize the external quantum efficiency of the device. Therefore, materials with highly desirable absorption properties but with poor mobility properties can be used in sensitization layer 980, although such materials may not have been used previously due to their poor mobility properties.

La capa de sensibilización 980 también puede usarse en una heterounión híbrida, como se ilustra en las figuras 13 y 14. En la figura 13, la capa de sensibilización 980 sirve como donante dentro de la región fotoactiva 1350. Preferentemente, como donante, el HOMO de la capa de sensibilización delgada 980 no es más que 5kT por encima del HOMO de la capa donante 152 (AE1). En la figura 14, la capa de sensibilización 980 sirve como aceptor dentro de la región fotoactiva 1450. Preferentemente, como aceptor, el LUMO de la capa de sensibilización delgada 980 no es más que 5kT por debajo del LUMO de la capa aceptora 154 (AE2).The sensitization layer 980 can also be used in a hybrid heterojunction, as illustrated in Figures 13 and 14. In Figure 13, the sensitization layer 980 serves as a donor within the 1350 photoactive region. Preferably, as a donor, the HOMO The thin sensitization layer 980 is no more than 5kT above the HOMO of donor layer 152 (AE1). In FIG. 14, sensitization layer 980 serves as an acceptor within photoactive region 1450. Preferably, as an acceptor, the LUMO of thin sensitization layer 980 is no more than 5kT below the LUMO of acceptor layer 154 (AE2 ).

La figura 15 ilustra una región fotoactiva 1550 que incluye una pluralidad de capas de sensibilización de donante (980a, 980b) y una pluralidad de capas de sensibilización de aceptor (980c, 980d). La figura 16 es un diagrama de nivel de energía para una célula fotosensible que comprende la pluralidad de capas de sensibilización delgadas 980a-d dentro de la única región fotoactiva en la figura 15. Preferentemente, para evitar el atrapamiento del portador de carga: el HOMO de la primera capa donante de sensibilización delgada 980a no es más de 5kT por encima de1HOMO de la capa donante 152 (AE1,1); El HOMO de la segunda capa delgada donante de sensibilización 980b no es más de 5kT por encima del HOMO de la primera capa donante de sensibilización delgada 980a (AE1,2); el LUMO de la primera capa de sensibilización delgada 980c no es más de 5kT por debajo del LUMO de la segunda capa aceptora de sensibilización delgada 980d (AE2,1); y el LUMO de la segunda capa aceptora de sensibilización delgada 980d no es más de 5kT por debajo del LUMO de la capa aceptora 154 (AE2,2).Figure 15 illustrates a photoactive region 1550 that includes a plurality of donor sensitization layers (980a, 980b) and a plurality of acceptor sensitization layers (980c, 980d). Figure 16 is an energy level diagram for a photosensitive cell comprising the plurality of thin sensitization layers 980a-d within the single photoactive region in Figure 15. Preferably, to avoid entrapment of the charge carrier: the HOMO of the first donor layer of thin sensitization 980a is not more than 5kT above 1HOMO of the donor layer 152 (AE1,1); The HOMO of the second sensitizing donor thin layer 980b is not more than 5kT above the HOMO of the first thin sensitization donor layer 980a (AE1,2); the LUMO of the first thin sensitizing layer 980c is not more than 5kT below the LUMO of the second thin sensitizing acceptor layer 980d (AE2,1); and the LUMO of the second thin sensitizing acceptor layer 980d is not more than 5kT below the LUMO of the acceptor layer 154 (AE2,2).

Las regiones fotoactivas (950, 1350, 1450, 1550) que tienen la una o más capas de sensibilización 980 pueden intercambiarse con las regiones fotoactivas 150 y/o 150' en los dispositivos fotosensibles tratados anteriormente, incluidos los dispositivos 100, 400 y 500.Photoactive regions (950, 1350, 1450, 1550) having the one or more sensitizing layers 980 can be interchanged with photoactive regions 150 and / or 150 'in the previously treated photosensitive devices, including devices 100, 400, and 500.

Como se ilustra en la figura 17, el rendimiento del dispositivo se mejora colocando al menos una parte de la capa de sensibilización delgada 980 (como se ilustra, dispuesta como una capa dentro de una región fotoactiva 950/1350/1450/1550 en el dispositivo en tándem mostrado en la figura 7) en una longitud de ruta óptica de Ar D A1/4 (d es un entero > 0) de una superficie reflectante del dispositivo. Si, por ejemplo, la capa de sensibilización 980 tiene un coeficiente de absorción de al menos 5 x 104 cm-1 a través de una banda de longitud de onda de 600 nm a 900 nm, entonces A1 es una longitud de onda en la banda de longitud de onda de 600 nm a 900 nm. Al colocar un pico en esta banda (750 nm, como se ilustra) para superponer una parte de la capa de sensibilización, se garantiza mejor que se absorberá la luz en el ancho de banda deseado.As illustrated in Figure 17, the performance of the device is enhanced by placing at least a portion of the thin sensitization layer 980 (as illustrated, arranged as a layer within a photoactive region 950/1350/1450/1550 on the device in tandem shown in Figure 7) at an optical path length of Ar D A1 / 4 (d is an integer> 0) of a reflective surface of the device. If, for example, sensitization layer 980 has an absorption coefficient of at least 5 x 104 cm-1 across a wavelength band of 600nm to 900nm, then A1 is a wavelength in the band wavelength from 600nm to 900nm. By placing a peak in this band (750nm, as illustrated) to overlay a part of the sensitization layer, it is better ensured that light will be absorbed in the desired bandwidth.

La superficie reflectante refleja preferentemente al menos el 50 % de la luz incidente en A1. La superficie reflectante puede ser una capa separada, o puede proporcionarse por uno de los electrodos (por ejemplo, el cátodo 170 en la figura 2 y la figura 7; el ánodo 170' en la figura 8).The reflective surface preferably reflects at least 50% of the incident light at A1. The reflective surface may be a separate layer, or may be provided by one of the electrodes (eg, cathode 170 in Figure 2 and Figure 7; anode 170 'in Figure 8).

Si la capa de sensibilización 980 está en una región fotoactiva de una primera célula dentro de una pila de células, el rendimiento general puede mejorarse configurando las diferentes células para que tengan diferentes características de absorción. Preferentemente, la absorción promedio de la primera célula (que tiene la capa de sensibilización 980), es mayor que la absorción promedio de la segunda célula en un intervalo de longitudes de onda A1 ± 5 %, y una absorción promedio de la segunda célula es mayor que la absorción promedio de la primera célula en un intervalo de longitudes de onda Á2 ± 5 %; donde A1 > Á2 10 %, A1 es una longitud de onda en la banda de absorción de 600 nm a 900 nm, y el material anfitrión que sirve como capa de sensibilización 980 tiene un coeficiente de absorción de al menos 5 x 104 cm-1 a través de 600 nm a 900 nm.If the sensitization layer 980 is in a photoactive region of a first cell within a cell stack, the overall performance can be improved by configuring the different cells to have different absorption characteristics. Preferably, the average absorption of the first cell (having sensitization layer 980) is greater than the average absorption of the second cell in a wavelength range A1 ± 5%, and an average absorption of the second cell is greater than the average absorption of the first cell in an interval of wavelengths Á2 ± 5%; where A1> Á2 10%, A1 is a wavelength in the absorption band of 600 nm to 900 nm, and the host material serving as the sensitization layer 980 has an absorption coefficient of at least 5 x 104 cm-1 through 600nm to 900nm.

Ya que los materiales que constituyen un donante y los materiales que constituyen un aceptor dependen de los niveles de energía relativos entre capas, un mismo material (por ejemplo, SnPc, PbPc) puede servir como una capa donante con un conjunto de materiales como donante 152/252 y aceptor 154/254, y servir como una capa aceptora con un conjunto diferente de materiales como donante 152/252 y aceptor 154/254.Since the materials that constitute a donor and the materials that constitute an acceptor depend on the relative energy levels between layers, the same material (for example, SnPc, PbPc) can serve as a donor layer with a set of materials as a donor 152 / 252 and acceptor 154/254, and serve as an acceptor layer with a different set of materials as donor 152/252 and acceptor 154/254.

EjemplosExamples

Los experimentos se realizaron en una célula fotovoltaica orgánica basada en una heterounión donante/aceptor de ftalocianina de estaño (II) (SnPc)/C60 con sensibilidad a las longitudes de onda de A > 900 nm. La baja movilidad de huecos en películas delgadas policristalinas del SnPc, j h = (2 ± 1) * 10-10 cm2/Vs, evita el uso de capas gruesas, lo que conduce a factores de relleno bajos y eficacias de conversión de baja potencia. Sin embargo, debido a su gran coeficiente de absorción, una capa de SnPc de 50 A de espesor produce eficacias cuánticas externas de células solares externas de hasta el 21 % en A = 750 nm. Con la doble heteroestructura de indio-estaño-óxido/100A cobre ftalocianina/50 A SnPc/540 A C60/75A batocuproína/Ag, se obtiene una eficacia de conversión de energía de (1,0 ± 0,1) % bajo iluminación solar AM1,5G convencional de 1 sol y eficacias de (1,3 ± 0,1) % bajo iluminación solar AM1,5G convencional intensa (10 soles). Para un ejemplo de un dispositivo sin la capa de sensibilización de SnPc (un indioestaño-óxido/cobre ftalocianina/C60/Dispositivo Ag), véase "4.2 % efficient organic photovoltaic cells with low series resistances", por J. Xue et al., Cartas físicas aplicadas 84, 3013-3015 (2004).The experiments were performed in an organic photovoltaic cell based on a tin (II) phthalocyanine (SnPc) / C60 donor / acceptor heterojunction with sensitivity at wavelengths of A> 900 nm. The low void mobility in SnPc polycrystalline thin films, jh = (2 ± 1) * 10-10 cm2 / Vs, avoids the use of thick layers, leading to low fill factors and low power conversion efficiencies. However, due to its high absorption coefficient, a 50A thick SnPc layer produces external quantum efficiencies of external solar cells of up to 21% at A = 750nm. With the double indium-tin-oxide / 100A copper phthalocyanine / 50A SnPc / 540A C60 / 75A batocuproin / Ag heterostructure, an energy conversion efficiency of (1.0 ± 0.1)% is obtained under solar lighting AM1.5G conventional 1 sol and efficiencies of (1.3 ± 0.1)% under intense sunlight AM1.5G conventional (10 soles). For an example of a device without the SnPc sensitization layer (an indium tin oxide / copper phthalocyanine / C60 / Ag Device), see "4.2% efficient organic photovoltaic cells with low series resistances", by J. Xue et al., Applied physical letters 84, 3013-3015 (2004).

El proceso de fotogeneración en materiales orgánicos comienza con la absorción de un fotón que crea un excitón o un par electrón-hueco unidos. En dispositivos fotovoltaicos orgánicos eficaces, el excitón se disocia en una interfaz donante-aceptor en portadores de carga libres, que posteriormente se recogen en sus electrodos respectivos. Usando una capa de ftalocianina de estaño (II) (SnPc) como donante de electrones en células solares orgánicas de doble heteroestructura, la capa de SnPc convierte eficientemente la luz NIR incidente en fotocorriente. Son posibles eficacias de conversión de potencia de r¡p = (1,0 ± 0,1) % bajo la iluminación solar AM1,5G convencional de 1 sol (masa de aire 1,5 global). Los resultados de alta eficacia ya que el factor de relleno es FF = 0,5 para capas de SnPc ultradelgadas, mientras que los dispositivos anteriormente demostrados (X.J. Wang et al., Cartas físicas aplicadas 85, 5081 (2004)) tenían FF = 0,32. Esta altura FF se logra controlando el espesor de la capa de SnPc, de tal manera que su baja movilidad de huecos no afecte negativamente al rendimiento del dispositivo.The photogeneration process in organic materials begins with the absorption of a photon that creates a bound exciton or electron-hole pair. In effective organic photovoltaic devices, the exciton dissociates at a donor-acceptor interface into free charge carriers, which are subsequently collected at their respective electrodes. Using a tin (II) phthalocyanine (SnPc) layer as an electron donor in double heterostructure organic solar cells, the SnPc layer efficiently converts incident NIR light to photocurrent. Power conversion efficiencies of r¡p = (1.0 ± 0.1)% are possible under conventional 1-sol AM1.5G solar illumination (1.5 global air mass). The highly efficient results since the fill factor is FF = 0.5 for ultra-thin SnPc layers, whereas the previously demonstrated devices (XJ Wang et al., Applied Physical Letters 85, 5081 (2004)) had FF = 0 , 32. This FF height is achieved by controlling the thickness of the SnPc layer, so that its low void mobility does not adversely affect the performance of the device.

Todos los dispositivos se fabricaron en capas de 1500 A de espesor de óxido de indio y estaño (ITO) prerrevestidas comercialmente sobre sustratos de vidrio con una resistencia de lámina de 15 Q/s. La superficie ITO limpiada con disolvente (véase J. Xue et al., Revista física aplicada 95, 1869 (2004)) se trató en ultravioleta/O3 durante 5 minutos inmediatamente antes de cargar los sustratos en una cámara de alto vacío (presión base ~ 3 * 10'7 Torr), donde se depositaron capas orgánicas y un cátodo de Ag de 1000 A de espesor mediante evaporación térmica. Antes de la deposición, los materiales orgánicos se purificaron en tres ciclos usando sublimación de gradiente térmico al vacío. (Véase R.A. Laudise y et al., Revista del crecimiento cristalino 187, 449 (1998)).All devices were manufactured in 1500 A thick Indium Tin Oxide (ITO) layers commercially precoated on glass substrates with a sheet resistance of 15 Q / s. The solvent-cleaned ITO surface (see J. Xue et al., Applied Physical Review 95, 1869 (2004)) was UV / O3 treated for 5 minutes immediately prior to loading the substrates into a high vacuum chamber (base pressure ~ 3 * 10.7 Torr), where organic layers and a 1000 A thick cathode of Ag were deposited by means of thermal evaporation. Before deposition, organic materials were purified in three cycles using thermal gradient sublimation under vacuum. (See R.A. Laudise et al., Journal of Crystal Growth 187, 449 (1998)).

El cátodo de Ag se evaporó a través de una máscara de sombra con aberturas de 1 mm de diámetro para definir la zona del dispositivo. Las características de densidad de corriente frente a la tensión (J-V) se midieron en la oscuridad y bajo iluminación solar AM1,5G simulada (Oriel Instruments) usando un analizador de parámetros semiconductores HP4155B. Las mediciones de intensidad de iluminación y eficacia cuántica se realizaron usando métodos convencionales que emplean un detector de Si calibrado rastreable del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (Normas ASTM E1021, E948, E973 Sociedad americana para pruebas y materiales, West Conshohocken PA). The Ag cathode was evaporated through a shadow mask with 1 mm diameter openings to define the area of the device. Current density versus voltage ( JV) characteristics were measured in the dark and under simulated AM1.5G solar illumination (Oriel Instruments) using an HP4155B semiconductor parameter analyzer. Measurements of illumination intensity and quantum efficiency were made using conventional methods employing a traceable calibrated Si detector from the National Renewable Energy Laboratory (ASTM Standards E1021, E948, E973 American Society for Testing and Materials, West Conshohocken PA).

Las diferencias entre los espectros solares simulados y reales (es decir convencionales) fueron corregidas en la determinación final de eficacia. Los espectros de absorción se midieron en sustratos de cuarzo usando un espectrómetro UV/Vis PerkinElmer Lambda 800 referenciado para limpiar sustratos de cuarzo para anular las pérdidas de absorción en el cuarzo. La conductividad del hueco de SnPc se midió para dispositivos que consisten en una capa de 1000 A de espesor intercalada entre los contactos ITO y Au.Differences between simulated and actual (i.e. conventional) solar spectra were corrected in the final determination of efficacy. Absorption spectra were measured on quartz substrates using a referenced PerkinElmer Lambda 800 UV / Vis spectrometer to clean quartz substrates to nullify absorption losses in the quartz. SnPc gap conductivity was measured for devices consisting of a 1000A thick layer sandwiched between the ITO and Au contacts.

La figura 18 ilustra las características J-V de un dispositivo con la estructura ITO/CuPc (100 A)/SnPc (50 A)/C60(540 A)/BCP (75 A)/Ag (en este caso CuPc indica ftalocianina de cobre, y BCP es batocuproína) en la oscuridad y bajo diversas intensidades de iluminación (Po) de iluminación solar convencional AM1,5G. La heterounión donante-aceptor se define en la interfaz SnPc/C60 i y BCP sirve como una capa de bloqueo de excitones. Adaptando la corriente oscura a la teoría del diodo de unión clásica p-n teoría del diodo de unión /véase J. Xue et al., Cartas físicas aplicadas 84, 3013-3015 (2004)) produce una resistencia en serie de Rs = 0,17 Q cm2 y un factor de idealidad de n = 1,96 ± 0,05. Un esquema de nivel de energía se muestra en el recuadro de la figura 18, donde los niveles de energía orbital molecular más altos ocupados se miden por espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta. Las energías orbitales moleculares desocupadas más bajas se estiman usando el hueco de energía óptica de cada material.Figure 18 illustrates the JV characteristics of a device with the structure ITO / CuPc (100 A) / SnPc (50 A) / C60 (540 A) / BCP (75 A) / Ag (in this case CuPc indicates copper phthalocyanine, and BCP is batocuproine) in the dark and under various light intensities (Po) of conventional AM1.5G solar lighting. The donor-acceptor heterojunction is defined at the SnPc / C60 i interface and BCP serves as an exciton blocking layer. Adapting the dark current to the classical junction diode theory pn junction diode theory / see J. Xue et al., Applied Physical Letters 84, 3013-3015 (2004)) produces a series resistance of R s = 0, 17 Q cm2 and an ideality factor of n = 1.96 ± 0.05. An energy level schematic is shown in the box in Figure 18, where the highest occupied molecular orbital energy levels are measured by ultraviolet photoelectron spectroscopy. The lowest unoccupied molecular orbital energies are estimated using the optical energy gap of each material.

Las figuras 19 y 20 ilustran diversos parámetros de rendimiento de la célula fotovoltaica para el mismo dispositivo en función de Po. En este caso, FF ~ 0,5 en todo el intervalo medido de intensidades, mientras que la tensión de circuito abierto (Voc) aumenta logarítmicamente con Po, con un valor de 0,4 V a 1 sol (100 mW/cm2) y hasta 0,51 V a 12 soles de intensidad. La capacidad de respuesta (igual a Jsc/Po, donde Jsc es la densidad de corriente de cortocircuito) permanece relativamente constante con Po = (0,05 ± 0,02) A/W. Como resultado de estas tendencias en los parámetros del dispositivo, r¡P aumenta junto con Voc a (1,0 ± 0,1) % bajo iluminación solar AM1,5G convencional de 1 sol, alcanzando (1,3 ± 0,1) % bajo 12 soles. El hecho de que ambos FF y Jsc/Po sean constantes con Po de 1 a 12 soles indica que la recopilación de portadores en el dispositivo es eficaz, y que la recombinación de portadores no aumenta significativamente con la intensidad.Figures 19 and 20 illustrate various performance parameters of the photovoltaic cell for the same device in function of Po. In this case, FF ~ 0.5 over the entire measured range of intensities, while the open circuit voltage ( V oc ) increases logarithmically with Po, with a value of 0.4 V at 1 sol (100 mW / cm2) and up to 0.51 V at 12 soles of intensity. The response capacity (equal to J sc / P o , where J sc is the short-circuit current density) remains relatively constant with Po = (0.05 ± 0.02) A / W. As a result of these trends in device parameters, r¡P increases along with V oc at (1.0 ± 0.1)% under conventional AM1.5G solar illumination of 1 sol, reaching (1.3 ± 0.1 )% under 12 soles. The fact that both FF and J sc / P o are constant with Po from 1 to 12 soles indicates that the collection of carriers in the device is effective, and that the recombination of carriers does not increase significantly with intensity.

La eficacia cuántica externa (q eqe ) y los coeficientes de absorción (a) de las capas activas del dispositivo se muestran en la figura 21 como funciones de longitud de onda. La banda Q de baja energía del SnPc (línea discontinua) muestra una absorción considerablemente más fuerte que la del CuPc (línea continua), alcanzando valores pico de a = 3,5 * 105 cm-1 en A = 740 nm, en oposición a 1,3 x 105 cm-1 en A = 620 nm, respectivamente. Además, a para el SnPc se extiende hacia el NIR, con una absorción significativa hasta A = 1000 nm. El coeficiente de absorción se calculó a partir de una película de SnPc de 50 A de espesor; igual que la usada en el dispositivo. El aumento del espesor de la película conduce a un cambio en la forma espectral, ya que el pico a A = 860 nm aumenta con respecto al pico a 740 nm (datos no mostrados), posiblemente como resultado de agregados moleculares que forman dímeros de SnPc. Es decir, si suponemos que las capas de SnPc más delgadas no proporcionan una cobertura uniforme de la superficie, algunas regiones contendrán grupos de SnPc con una alta densidad de dímeros, mientras que otras regiones tendrán, o bien una monocapa o ninguna cobertura completamente ausente de dímeros. En este caso, la intensidad de pico agregada de longitud de onda larga también se reducirá. Los qEQE de la célula PV en la figura 18 (círculos rellenos, figura 21) siguen la absorción de los materiales constituyentes, con la contribución de la fotocorriente a partir del C60 generado entre 350 < A <550 nm, con un pico qEQE = 36 %, mientras que la capa de SnPc contribuye desde 600 < A <1000 nm, alcanzando un máximo del 21 %.The external quantum efficiency (q eqe ) and the absorption coefficients ( a) of the active layers of the device are shown in figure 21 as wavelength functions. The low energy Q band of SnPc (dashed line) shows a considerably stronger absorption than that of CuPc (solid line), reaching peak values of a = 3.5 * 105 cm-1 at A = 740 nm, as opposed to 1.3 x 105 cm-1 at A = 620 nm, respectively. Furthermore, a for SnPc extends to NIR, with significant absorption up to A = 1000 nm. The absorption coefficient was calculated from a 50A thick SnPc film; same as the one used in the device. Increased film thickness leads to a change in spectral shape, as the peak at A = 860 nm increases from the peak at 740 nm (data not shown), possibly as a result of molecular aggregates that form SnPc dimers. . That is, if we assume that the thinner SnPc layers do not provide uniform surface coverage, some regions will contain SnPc clusters with a high density of dimers, while other regions will have either a monolayer or no coverage completely absent. dimers. In this case, the added long wavelength peak intensity will also be reduced. The qEQEs of the PV cell in figure 18 (filled circles, figure 21) follow the absorption of the constituent materials, with the contribution of the photocurrent from the C60 generated between 350 <A <550 nm, with a peak qEQE = 36 %, while the SnPc layer contributes from 600 <A <1000 nm, reaching a maximum of 21%.

El modelado óptico que usa matrices de transferencia (véase L.A.A. Pettersson et al., Revista de física aplicada 86, 487 (1999)) sugiere que la región de SnPc contribuye a una eficacia cuántica interior de ~ el 40 %. Hay pequeños picos de respuesta adicionales en qEQE en A = 575 y 620 nm, correspondiente a una contribución de la capa de CuPc subyacente. Esta última respuesta surge ya que la capa de SnPc de 50 A de espesor es discontinua, lo que permite el contacto directo local entre el CuPc y el C60 que forman regiones de separación de carga eficientes, soportando aún más la suposición de cobertura de capa no uniforme para las películas más delgadas. (Véase J. Xue et al., Cartas físicas aplicadas 84, 3013-3015 (2004)).Optical modeling using transfer matrices (see LAA Pettersson et al., Journal of Applied Physics 86, 487 (1999)) suggests that the SnPc region contributes to an internal quantum efficiency of ~ 40%. There are additional small response peaks in qEQE at A = 575 and 620 nm, corresponding to a contribution from the underlying CuPc layer. This latter response arises as the 50A thick SnPc layer is discontinuous, allowing direct local contact between CuPc and C60 that form efficient charge separation regions, further supporting the assumption of non-layer coverage. uniform for thinner films. (See J. Xue et al., Applied Physical Letters 84, 3013-3015 (2004)).

El átomo de Sn central se encuentra a 1,13 A fuera del plano molecular, lo que hace que el SnPc se cristalice en la fase triclínica. (Véase M.K. Friedel et al., Comunicaciones químicas, 400 (1970); y R. Kubiak et al., Revista de aleaciones y compuestos 189, 107 (1992)). La difracción de rayos X en polvo del material fuente purificado se muestra en la figura 22, y los picos se identifican usando la estructura cristalina molecular conocida. En la figura 22 se muestra una película de SnPc de 1000 A de espesor depositada sobre ITO para tener un solo pico en 26= (12,60 ± 0,05)°, correspondiente a una separación del plano reticular de = (7,03 ± 0,02) A. Esto indica que la película de SnPc es policristalina con moléculas preferentemente planas sobre la superficie de ITO, de acuerdo con estudios anteriores. (Véase K. Walzer et al., Surf. Sci. 471, 1 (2001); y LB Chen et al., Acta Phys. Sin. 45, 146 (1996)).The central Sn atom is 1.13 A outside the molecular plane, causing SnPc to crystallize in the triclinic phase. (See M.K. Friedel et al., Chemical Communications, 400 (1970); and R. Kubiak et al., Journal of Alloys and Compounds 189, 107 (1992)). X-ray powder diffraction of the purified source material is shown in Figure 22, and the peaks are identified using the known molecular crystal structure. Figure 22 shows a 1000 A thick SnPc film deposited on ITO to have a single peak at 26 = (12.60 ± 0.05) °, corresponding to a lattice plane separation of = (7.03 ± 0.02) A. This indicates that the SnPc film is polycrystalline with preferably flat molecules on the ITO surface, according to previous studies. (See K. Walzer et al., Surf. Sci. 471, 1 (2001); and LB Chen et al., Acta Phys. Sin. 45, 146 (1996)).

La figura 23 muestra la morfología de la superficie de una película de SnPc de 250 A de espesor sobre cuarzo. La micrografía electrónica de barrido muestra una superficie rugosa y ondulada, indicativa de una película policristalina, mientras que la micrografía de fuerza atómica (figura 23, recuadro) produce una rugosidad cuadrática media de 47 A. Figure 23 shows the surface morphology of a 250A thick SnPc film on quartz. The scanning electron micrograph shows a rough, wavy surface indicative of a polycrystalline film, while the atomic force micrograph (Figure 23, inset) produces an average quadratic roughness of 47 A.

La movilidad del hueco en las películas de SnPc se midió ajustando la corriente de carga espacial limitada de un dispositivo ITO/SnPc (1000 A)/Au a la ley del niño, (véase M. Pope y C.E. Swenberg, Procesos electrónicos en cristales y polímeros orgánicos, 2a ed. (Oxford University Press, Nueva York, 1999); y B.P. Rand, J. Xue, S. Uchida y S.R. Forrest, "Mixed donor-acceptor molecular heterojunctions for photovoltaic application. I. Material properties", presentado en la Revista de física aplicada el 9 de febrero de 2005) suponiendo una constante dieléctrica relativa de 3 para el orgánico. Este análisis produce una movilidad de huecos de y h = (2 ± 1) * 10-10 cm2/Vs, en comparación con el CuPc que tiene y h = (7 ± 1) * 10-4 cm2/V ■ s (véase B.P. Rand, J. Xue, S. Uchida y S.R. Forrest, "Mixed donoracceptor molecular heterojunctions for photovoltaic applications. I. Material properties", presentado en la Revista de física aplicada el 9 de febrero de 2005).Gap mobility in SnPc films was measured by adjusting the limited space charge current of an ITO / SnPc (1000 A) / Au device to the child's law, (see M. Pope and CE Swenberg, Electronic Processes on Crystals and organic polymers, 2nd ed. (Oxford University Press, New York, 1999); and BP Rand, J. Xue, S. Uchida, and SR Forrest, "Mixed donor-acceptor molecular heterojunctions for photovoltaic application. I. Material properties," presented in the Applied Physics Review on February 9, 2005) assuming a relative dielectric constant of 3 for the organic. This analysis produces a gap mobility of yh = (2 ± 1) * 10-10 cm2 / Vs, compared to the CuPc that has yh = (7 ± 1) * 10-4 cm2 / V ■ s (see BP Rand , J. Xue, S. Uchida and SR Forrest, "Mixed molecular donor receptor heterojunctions for photovoltaic applications. I. Material properties", presented in the Journal of Applied Physics on February 9, 2005).

Es posible que la película policristalina de la molécula de SnPc no plana tenga una superposición orbital molecular menor en comparación con el CuPc debido a una mayor separación intermolecular. De hecho, la separación entre los planos formados por los cuatro átomos de N coordinantes en el SnPc alterna dentro de una célula unitaria entre 3,56 A y 2,87 A (véase R. Kubiak et al., Revista de aleaciones y compuestos 189, 107 (1992)), mientras que es 3,34 A en el caso del CuPc (véase C.J. Brown, J. Chem. Soc. A, 2488 (1968)).It is possible that the polycrystalline film of the non-flat SnPc molecule has less molecular orbital overlap compared to CuPc due to greater intermolecular separation. In fact, the separation between the planes formed by the four coordinating N atoms in the SnPc alternates within a unit cell between 3.56 A and 2.87 A (see R. Kubiak et al., Journal of Alloys and Compounds 189 , 107 (1992)), while it is 3.34 A in the case of CuPc (see CJ Brown, J. Chem. Soc. A, 2488 (1968)).

Es la mayor de las dos separaciones en la retícula de SnPc que determina la movilidad del hueco, lo que puede explicar las diferencias significativas en y h observadas entre estos materiales. La baja movilidad del SnPc da como resultado una mayor resistencia en serie y, por lo tanto, una baja FF en las células fotovoltaicas a medida que aumenta el espesor de la capa. Es decir, FF = 0,5 para una capa de SnPc de 50 A de espesor (comparado con la figura 19), cayendo a 0,31 para una capa donante de SnPc de 200 A de espesor a intensidad de sol de 1. Depositar una capa de humectación de CuPc de 100 A de espesor en la superficie de ITO antes de la deposición de SnPc evita que la capa aceptora posterior de C60 contacte directamente con el ITO a través de discontinuidades en la capa donante delgada. It is the larger of the two separations in the SnPc lattice that determines the mobility of the gap, which may explain the significant differences in yh observed between these materials. The low mobility of the SnPc results in a higher series resistance and, therefore, a low FF in the photovoltaic cells as the layer thickness increases. That is, FF = 0.5 for a 50A thick SnPc layer (compared to Figure 19), dropping to 0.31 for a 200A thick SnPc donor layer at a sun intensity of 1. Placing a 100A thick CuPc wetting layer on the ITO surface prior to SnPc deposition prevents the layer Subsequent C60 acceptor directly contact ITO through discontinuities in the thin donor layer.

En resumen, estos experimentos demuestran la viabilidad de una célula solar orgánica con sensibilidad que se extiende hacia el NIR, usando SnPc como una capa donante delgada de electrones de sensibilización. La eficacia cuántica externa de la célula es significativa para longitudes de onda entre 350 < A < 1000 nm, permaneciendo por encima del 10 % en el intervalo de 350 < A < 875 nm. Al optimizar el espesor de las capas para retener un buen transporte de carga, y al colocar la interfaz donante/aceptor en la región de mayor intensidad de luz incidente, se logran eficacias de conversión de energía de (1,0 ± 0,1) % bajo una iluminación solar AM1,5G convencional de 1 sol, y hasta (1,3 ± 0,1) % bajo iluminación intensa. Estos resultados resaltan la capacidad de la unión de SnPc/C60 para encontrar un uso en células solares orgánicas en tándem (véase J. Xue, S. Uchida, B.P. Rand y S.R. Forrest, Cartas físicas aplicadas 85, 5757-5759 (2004); y B.P. Rand, P. Peumans y S.R. Forrest, Revista de física aplicada 96, 7519­ 7526 (2004)) para extender la capacidad de respuesta de las células fotovoltaicas orgánicas al infrarrojo.In summary, these experiments demonstrate the viability of an organic solar cell with sensitivity extending to the NIR, using SnPc as a thin donor layer of sensitizing electrons. The external quantum efficiency of the cell is significant for wavelengths between 350 <A <1000 nm, remaining above 10% in the range of 350 <A <875 nm. By optimizing the thickness of the layers to retain good charge transport, and by placing the donor / acceptor interface in the region of highest incident light intensity, energy conversion efficiencies of (1.0 ± 0.1) are achieved. % under conventional AM1.5G solar lighting of 1 sun, and up to (1.3 ± 0.1)% under bright lighting. These results highlight the ability of SnPc / C60 binding to find use in tandem organic solar cells (see J. Xue, S. Uchida, BP Rand and SR Forrest, Applied Physical Letters 85, 5757-5759 (2004); and BP Rand, P. Peumans and SR Forrest, Journal of Applied Physics 96, 7519 7526 (2004)) to extend the responsiveness of organic photovoltaic cells to the infrared.

Como se ha descrito anteriormente, los dispositivos fotosensibles orgánicos de la presente invención pueden usarse para generar energía eléctrica a partir de la radiación electromagnética incidente (por ejemplo, dispositivos fotovoltaicos) o pueden usarse para detectar la radiación electromagnética incidente (por ejemplo, un fotodetector o célula fotoconductora).As described above, the organic photosensitive devices of the present invention can be used to generate electrical energy from incident electromagnetic radiation (eg, photovoltaic devices) or they can be used to detect incident electromagnetic radiation (eg, a photodetector or photoconductive cell).

Ejemplos específicos de la invención se ilustran y/o describen en el presente documento. Sin embargo, se apreciará que las modificaciones y variaciones de la invención están cubiertas por las enseñanzas anteriores y están dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Specific examples of the invention are illustrated and / or described herein. However, it will be appreciated that modifications and variations of the invention are covered by the above teachings and are within the scope of the appended claims.

Claims (14)

REIVINDICACIONES 1. Un dispositivo fotosensible que comprende:1. A photosensitive device comprising: un primer electrodo y un segundo electrodo;a first electrode and a second electrode; una serie de capas fotoactivas orgánicas dispuestas entre el primer electrodo y el segundo electrodo, estando cada capa de la serie en contacto directo con la siguiente capa de la serie, estando la serie de capas fotoactivas orgánicas dispuestas para formar al menos una heterounión donante-receptor, comprendiendo la serie: a series of organic photoactive layers arranged between the first electrode and the second electrode, each layer in the series being in direct contact with the next layer in the series, the series of organic photoactive layers being arranged to form at least one donor-receptor heterojunction , comprising the series: una primera capa fotoactiva orgánica (152) que comprende un primer material anfitrión que sirve como donante; una segunda capa fotoactiva orgánica (980) que comprende un segundo material anfitrión dispuesto entre la primera capa fotoactiva orgánica (152) y una tercera capa fotoactiva orgánica (154); ya first organic photoactive layer (152) comprising a first host material that serves as a donor; a second organic photoactive layer (980) comprising a second host material disposed between the first organic photoactive layer (152) and a third organic photoactive layer (154); and comprendiendo la tercera capa fotoactiva orgánica (154) un tercer material anfitrión que sirve como aceptor; the third organic photoactive layer (154) comprising a third host material serving as an acceptor; en el que el primer material anfitrión, el segundo material anfitrión y el tercer material anfitrión son diferentes, en el que la segunda capa fotoactiva orgánica sirve como aceptor relativo a la primera capa fotoactiva orgánica o como donante relativo a la tercera capa fotoactiva, y una distancia desde cualquier punto dentro del segundo material anfitrión de la segunda capa fotoactiva orgánica hasta un límite de esa capa no es más que una longitud de difusión de excitón en la mayor parte de la zona de la segunda capa fotoactiva orgánica, ywherein the first host material, the second host material, and the third host material are different, wherein the second organic photoactive layer serves as an acceptor relative to the first organic photoactive layer or as a donor relative to the third photoactive layer, and a distance from any point within the second host material of the second organic photoactive layer to a boundary of that layer is no more than an exciton diffusion length over most of the area of the second organic photoactive layer, and caracterizado por que la segunda capa fotoactiva orgánica (980) es una capa unitaria que tiene unas aberturas (1001) a través de la misma, estando la primera capa fotoactiva orgánica (152) en contacto directo con la tercera capa fotoactiva orgánica (154) a través de dichas aberturas.characterized in that the second organic photoactive layer (980) is a unitary layer having openings (1001) therethrough, the first organic photoactive layer (152) being in direct contact with the third organic photoactive layer (154) at through said openings. 2. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que dicho segundo material anfitrión es una molécula pequeña.2. The photosensitive device of claim 1, wherein said second host material is a small molecule. 3. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 2, en el que dicho primer material anfitrión y dicho tercer material anfitrión son moléculas pequeñas.3. The photosensitive device of claim 2, wherein said first host material and said third host material are small molecules. 4. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que cada una de la primera capa fotoactiva orgánica (152), la segunda capa fotoactiva orgánica (980) y la tercera capa fotoactiva orgánica (154) tiene un espectro de absorción diferente.The photosensitive device of claim 1, wherein each of the first organic photoactive layer (152), the second organic photoactive layer (980), and the third organic photoactive layer (154) have a different absorption spectrum. 5. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que la segunda capa fotoactiva orgánica (980) sirve como donante, y el primer material anfitrión y el segundo material anfitrión tienen espectros de absorción diferentes.5. The photosensitive device of claim 1, wherein the second organic photoactive layer (980) serves as a donor, and the first host material and the second host material have different absorption spectra. 6. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 5, en el que una brecha de banda del segundo material anfitrión es menor que una brecha de banda del primer material anfitrión.6. The photosensitive device of claim 5, wherein a band gap of the second host material is less than a band gap of the first host material. 7. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 5, en el que el segundo material anfitrión se selecciona a partir de la ftalocianina de estaño (II) (SnPc) y de la ftalocianina de plomo (PbPc).7. The photosensitive device of claim 5, wherein the second host material is selected from tin (II) phthalocyanine (SnPc) and lead phthalocyanine (PbPc). 8. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 7, en el que el tercer material anfitrión es C60.8. The photosensitive device of claim 7, wherein the third host material is C60. 9. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que la segunda capa fotoactiva orgánica (980) sirve como aceptor, y el segundo material anfitrión y el tercer material anfitrión tienen espectros de absorción diferentes.9. The photosensitive device of claim 1, wherein the second organic photoactive layer (980) serves as an acceptor, and the second host material and the third host material have different absorption spectra. 10. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 9, en el que una brecha de banda del segundo material anfitrión es menor que una brecha de banda del tercer material anfitrión.The photosensitive device of claim 9, wherein a band gap of the second host material is less than a band gap of the third host material. 11. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que el espesor de la segunda capa fotoconductora orgánica (980) no es mayor que 200 A.11. The photosensitive device of claim 1, wherein the thickness of the second organic photoconductive layer (980) is not greater than 200 A. 12. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que el espesor de la segunda capa fotoconductora orgánica (980) no es mayor que 100 A.12. The photosensitive device of claim 1, wherein the thickness of the second organic photoconductive layer (980) is not greater than 100 A. 13. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que la serie de capas fotoactivas orgánicas comprende además una capa aceptor-donador en bruto o mezclada dispuesta entre la primera capa fotoactiva orgánica y la tercera capa fotoactiva orgánica, incluyendo dicha capa aceptor-donador en bruto o mezclada tanto el primer material anfitrión de la primera capa fotoactiva orgánica como el tercer material anfitrión de la tercera capa fotoactiva orgánica.The photosensitive device of claim 1, wherein the series of organic photoactive layers further comprises a crude or mixed acceptor-donor layer disposed between the first organic photoactive layer and the third organic photoactive layer, said acceptor-donor layer including raw or mixed both the first host material of the first organic photoactive layer and the third host material of the third organic photoactive layer. 14. El dispositivo fotosensible de la reivindicación 1, en el que la distancia desde cualquier punto dentro del segundo material anfitrión de la segunda capa fotoactiva orgánica (980) hasta un límite de esa capa no es más que una longitud de difusión de excitón a lo largo de la totalidad de la zona de la segunda capa fotoactiva orgánica. The photosensitive device of claim 1, wherein the distance from any point within the second host material of the second organic photoactive layer (980) to a boundary of that layer is no more than an exciton diffusion length at throughout the entire area of the second organic photoactive layer.
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